CyclicBarrier和CountDownLatch
CyclicBarrier和CountDownLatch 都位於java.util.concurrent這個包下，其工作原理的核心要點：
CyclicBarrier工作原理分析
那麼接下來給大家分享分析一下JDK1.8的CyclicBarrier的工作原理。
簡單認識CyclicBarrier
何為CyclicBarrier？
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CyclicBarrier從英文字面上理解，迴圈柵欄，咋一看好像跟同步器沒多大關係，而柵欄式一排排的阻攔著，好像也有點同步等待的意思；
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CyclicBarrier是也一種同步幫助工具，允許多個執行緒相互等待，即多個執行緒到達同步點時被阻塞，直到最後一個執行緒到達同步點時柵欄才會被開啟；
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CyclicBarrier內部沒有所謂的公平鎖\非公平鎖的靜態內部類，只是利用了ReentrantLock(獨佔鎖)、ConditionObject(條件物件)實現了執行緒之間相互等待的功能；
CyclicBarrier的state關鍵詞
-
CyclicBarrier這個類沒有真正的state關鍵詞，它只有parties執行緒總數量，count還沒有進入阻塞的執行緒數量；
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CyclicBarrier的實現是間接利用了ReentrantLock(獨佔鎖)的父類AQS的state變數值；
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CountDownLatch，A、B、C組執行緒同時執行，A先執行完的話就在那裡等著，等所有A、B、C執行緒中執行最久的執行緒執行完了才開始執行各自的事件；
常用重要的方法
// 建立給定數值的柵欄總數，也就是支援參與執行緒的最多數值
public CyclicBarrier(int parties)
// 建立給定數值的柵欄總數，也就是支援參與執行緒的最多數值，且當最後一個執行緒執行完時會回撥barrierAction方法
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)
// 更新換代，改朝換代，觸發喚醒所有在Lock物件上等待的執行緒，釋放所有正在處於阻塞的執行緒
private void nextGeneration()
// 打破平衡，並設定打破平衡的標誌，然後再喚醒所有被阻塞的執行緒，
private void breakBarrier()
// 導致當前執行緒阻塞，直到其他執行緒呼叫trip.signal()或trip.signalAll()方法喚醒該執行緒
public int await()
// 比await()多了兩個引數，意思就是阻塞等待訊號量的最大時長，等待的時間值為timeout，單位為unit；
public int await(long timeout, TimeUnit unit)
// 阻塞等待的核心方法，如果不需要超時等待訊號量的話則nanos引數是沒用的，否則就有用
private int dowait(boolean timed, long nanos)
// 執行緒之間的等待，這樣一個等待的平衡體系是否被打破
public boolean isBroken()
// 重置為初始狀態值，就像初始建立CyclicBarrier該例項物件一樣，乾乾淨淨的初始狀態值
public void reset()
// 獲取目前正在處於阻塞狀態的執行緒數量值
public int getNumberWaiting()
// 獲取執行緒數量，也就是柵欄數量總數值
public int getParties()
設計與實現虛擬碼
等待被釋放：
public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
try {
return dowait(false, 0L);
} catch (TimeoutException toe) {
throw new Error(toe); // cannot happen
}
}
阻塞等待的核心方法；
- 內部會呼叫trip.await()方法進入Condition等待阻塞佇列；
- 一旦柵欄數量為零時則會逐個逐個將Condition等待的佇列轉移到CLH的等待阻塞佇列；
- 所有執行緒被喚醒後然後等待dowait方法內部lock.unlock()一個個釋放執行緒等待；
- 阻塞的最後一個執行緒還有機會執行構造方法傳入的介面回撥；
CyclicBarrier生活細節化理解
比如百米賽跑，我就以賽跑為例生活化闡述該CyclicBarrier原理，場景：百米賽跑十人蔘賽，終點處有一個裁判計數；
-
開跑一聲槍響，十個人爭先恐後的向終點跑去，真的是振奮多秒，令人振奮；
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當一個人到達終點，這個人就完成了他的賽跑事情了，就沒事一邊玩去了，那麼裁判則減去一個人；
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隨著人員陸陸續續的都跑到了終點，最後裁判計數顯示還有0個人未到達，意思就是人員都達到了；
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然後裁判就拿著登記的成績屁顛屁顛去輸入電腦登記了；
-
到此打止，這一系列的動作認為是A組執行緒等待另外其他組執行緒的操作，直到計數器為零，那麼A則再幹其他事情；
原始碼分析CyclicBarrier
CyclicBarrier構造器
構造器原始碼
建立一個給定數值的柵欄總數，也就是支援參與執行緒的最多數值，但是構造方法二還可以通過傳入介面回撥，當最後一個阻塞的執行緒被釋放後，它將有機會執行這個被傳入的回撥介面barrierAction；
/**
* Creates a new {@code CyclicBarrier} that will trip when the
* given number of parties (threads) are waiting upon it, and
* does not perform a predefined action when the barrier is tripped.
*
* @param parties the number of threads that must invoke {@link #await}
* before the barrier is tripped
* @throws IllegalArgumentException if {@code parties} is less than 1
*/
public CyclicBarrier(int parties) {
this(parties, null);
}
/**
* Creates a new {@code CyclicBarrier} that will trip when the
* given number of parties (threads) are waiting upon it, and which
* will execute the given barrier action when the barrier is tripped,
* performed by the last thread entering the barrier.
*
* @param parties the number of threads that must invoke {@link #await}
* before the barrier is tripped
* @param barrierAction the command to execute when the barrier is
* tripped, or {@code null} if there is no action
* @throws IllegalArgumentException if {@code parties} is less than 1
*/
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
this.parties = parties;
this.count = parties;
this.barrierCommand = barrierAction;
}
await()
-
阻塞等待的核心方法，內部會呼叫trip.await()方法進入Condition等待阻塞佇列，一旦柵欄數量為零時則會逐個逐個將Condition等待的佇列轉移到CLH的等待阻塞佇列；
-
所有執行緒被喚醒後然後等待dowait方法內部lock.unlock()一個個釋放執行緒等待，阻塞的最後一個執行緒還有機會執行構造方法傳入的介面回撥；
/**
* Waits until all {@linkplain #getParties parties} have invoked
* {@code await} on this barrier.
*
* <p>If the current thread is not the last to arrive then it is
* disabled for thread scheduling purposes and lies dormant until
* one of the following things happens:
* <ul>
* <li>The last thread arrives; or
* <li>Some other thread {@linkplain Thread#interrupt interrupts}
* the current thread; or
* <li>Some other thread {@linkplain Thread#interrupt interrupts}
* one of the other waiting threads; or
* <li>Some other thread times out while waiting for barrier; or
* <li>Some other thread invokes {@link #reset} on this barrier.
* </ul>
*
* <p>If the current thread:
* <ul>
* <li>has its interrupted status set on entry to this method; or
* <li>is {@linkplain Thread#interrupt interrupted} while waiting
* </ul>
* then {@link InterruptedException} is thrown and the current thread's
* interrupted status is cleared.
*
* <p>If the barrier is {@link #reset} while any thread is waiting,
* or if the barrier {@linkplain #isBroken is broken} when
* {@code await} is invoked, or while any thread is waiting, then
* {@link BrokenBarrierException} is thrown.
*
* <p>If any thread is {@linkplain Thread#interrupt interrupted} while waiting,
* then all other waiting threads will throw
* {@link BrokenBarrierException} and the barrier is placed in the broken
* state.
*
* <p>If the current thread is the last thread to arrive, and a
* non-null barrier action was supplied in the constructor, then the
* current thread runs the action before allowing the other threads to
* continue.
* If an exception occurs during the barrier action then that exception
* will be propagated in the current thread and the barrier is placed in
* the broken state.
*
* @return the arrival index of the current thread, where index
* {@code getParties() - 1} indicates the first
* to arrive and zero indicates the last to arrive
* @throws InterruptedException if the current thread was interrupted
* while waiting
* @throws BrokenBarrierException if <em>another</em> thread was
* interrupted or timed out while the current thread was
* waiting, or the barrier was reset, or the barrier was
* broken when {@code await} was called, or the barrier
* action (if present) failed due to an exception
*/
public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
try {
return dowait(false, 0L); // 阻塞的核心方法，重心再次，通過ReentrantLock和Condition組合完成阻塞等待
} catch (TimeoutException toe) {
throw new Error(toe); // cannot happen
}
}
dowait(false, 0L); // 阻塞的核心方法，重新再次，通過ReentrantLock和Condition組合完成阻塞等待
3.3、dowait(boolean, long)
- dowait方法是CyclicBarrier實現阻塞等待的核心方法，當await方法被呼叫時阻塞等待被Condition的一個佇列維護著；
- 然而執行緒從await跳出來時，正常情況下一般都是由於傳送了訊號量，阻塞被解除，那麼Condition的等待佇列將會被轉移至AQS的等待佇列；
- 然後一個逐漸鎖釋放，最後CyclicBarrier也處於了初始值狀態，供下次呼叫使用；
- 因此CyclicBarrier每用完一套整個流程，又會回到初始狀態值，又可以被其他地方當做新建立的物件一樣來使用，所以才成為迴圈柵欄；
/**
* Main barrier code, covering the various policies.
*/
private int dowait(boolean timed, long nanos)
throws InterruptedException, BrokenBarrierException,
TimeoutException {
final ReentrantLock lock = this.lock; // 獲取獨佔鎖
lock.lock(); // 通過lock其父類AQS的CLH佇列阻塞在此，但是為啥又會繼續往下進入臨界區執行try方法，其原因就是trip.await()這句程式碼
try {
final Generation g = generation;
if (g.broken) // 若平衡被一旦打破，則其他所有的執行緒都會丟擲異常，因為即使這裡沒遇到拋異常，下面還會有 if (g.broken) 判斷
throw new BrokenBarrierException();
if (Thread.interrupted()) { // 檢測執行緒是否在其他地方被中斷過，若任何一個執行緒被中斷過
breakBarrier(); // 那麼則打破平衡，並設定打破平衡的標誌，還原初始狀態值，然後再喚醒所有被阻塞的執行緒，
throw new InterruptedException();
}
int index = --count; // 執行一個則減1操作，正常情況下count表示還有多少個未進入臨界區，即還在lock阻塞佇列中
if (index == 0) { // tripped 當count值降為0後，則表明所有執行緒都執行完了，那麼就可以happy的一起改朝換代去做其他事情了
boolean ranAction = false;
try {
final Runnable command = barrierCommand; // 構造方法傳入的介面回撥物件
if (command != null) // 當介面不為空時，最後一個執行的執行緒有機會消費該回撥方法
command.run();
ranAction = true;
nextGeneration(); // 改朝換代，該執行的都已經執行完了，還原為初始狀態值，以便下次可以重複再次使用
return 0;
} finally {
if (!ranAction) // 若最後一個執行緒眼看著要完事了，若出現了任何異常的話，也照樣打破整體平衡，要麼一起生要麼一起亡
breakBarrier();
}
}
// loop until tripped, broken, interrupted, or timed out
for (;;) { // 自旋的死迴圈操作方式
try {
if (!timed) // 若不需要使用超時等待訊號量的話，那麼下面就直接呼叫trip.await()進入阻塞等待
trip.await(); // 正常情況下，程式碼執行到此就不動了，該方法內部已經呼叫了park方法導致執行緒阻塞等待
else if (nanos > 0L)
nanos = trip.awaitNanos(nanos); // 在指定時間內等待訊號量
} catch (InterruptedException ie) { // 若在阻塞等待期間由於被中斷了
if (g == generation && ! g.broken) { // 如果還沒改朝換代，並且平衡標誌位還為false的話，則繼續打破平衡並且丟擲中斷異常
breakBarrier();
throw ie;
} else {
// We're about to finish waiting even if we had not
// been interrupted, so this interrupt is deemed to
// "belong" to subsequent execution.
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
if (g.broken) // 這裡也有 if (g.broken) 判斷，若平衡被一旦打破，則其他所有的執行緒都會丟擲異常
throw new BrokenBarrierException();
if (g != generation) // 若已經被改朝換代了，那麼則直接返回index值
return index;
if (timed && nanos <= 0L) { // 若設定了超時標誌，並且不管是傳入的nanos值也好還是通過等待後返回的nanos也好，只要小於或等於零都會打破平衡
breakBarrier();
throw new TimeoutException();
}
}
} finally {
lock.unlock(); // 釋放lock鎖
}
}
breakBarrier()
打破平衡，並設定打破平衡的標誌，然後再喚醒所有被阻塞的執行緒；
/**
* Sets current barrier generation as broken and wakes up everyone.
* Called only while holding lock.
*/
private void breakBarrier() {
generation.broken = true; // 設定打破平衡的標誌
count = parties; // 重新還原count為初始值
trip.signalAll(); // 傳送訊號量，喚醒所有Condition中的等待佇列
}
nextGeneration()
喚醒所有在Condition中等待的佇列，然後還原初始狀態值，並且重新換掉generation的引用，改朝換代，為下一輪操作做準備；
/**
* Updates state on barrier trip and wakes up everyone.
* Called only while holding lock.
*/
private void nextGeneration() {
// signal completion of last generation
trip.signalAll();
// set up next generation
count = parties;
generation = new Generation();
}
AQS的await()
CyclicBarrier的成員屬性 trip( Condition型別 ) 物件的方法：
- 該AQS的await方法，因為該方法涉及到為什麼用了獨佔鎖lock.lock之後，dowait方法裡面通過呼叫了trip.await()進行阻塞的話，第二個、第三個執行緒怎麼還會通過lock.lock呼叫之後還能進入臨界區呢。
- AQS的方法會呼叫fullyRelease(node)釋放當前執行緒佔有的鎖，所以lock.lock才不至於一直被阻塞在那裡；
- 並且Condition也維護了自己的一個連結串列，凡是通過呼叫trip.await()方法的執行緒，都會首先進入Condition的佇列，然後釋放獨佔鎖，想辦法呼叫park方法鎖住當前執行緒；
- 然後在被訊號量通知的時候，又會將Condition佇列的結點轉移到AQS的同步佇列中，然後等待呼叫unlock逐個釋放鎖；
/**
* Implements interruptible condition wait.
* <ol>
* <li> If current thread is interrupted, throw InterruptedException.
* <li> Save lock state returned by {@link #getState}.
* <li> Invoke {@link #release} with saved state as argument,
* throwing IllegalMonitorStateException if it fails.
* <li> Block until signalled or interrupted.
* <li> Reacquire by invoking specialized version of
* {@link #acquire} with saved state as argument.
* <li> If interrupted while blocked in step 4, throw InterruptedException.
* </ol>
*/
public final void await() throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
Node node = addConditionWaiter(); // 將當前執行緒包裝一下，然後新增到Condition自己維護的連結串列佇列中
int savedState = fullyRelease(node); // 釋放當前執行緒佔有的鎖，如果不釋放的話，那麼在第二次呼叫lock.lock()的地方；
// 如果第一個沒執行完的話，那麼則會一直阻塞等待，那麼也就無法完成柵欄的功能了。
int interruptMode = 0;
while (!isOnSyncQueue(node)) { // 是否在AQS的佇列中
LockSupport.park(this); // 如果不在AQS佇列中的話，則阻塞等待，這裡才是最最最核心阻塞的地方
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}
// 如果在AQS佇列中的話，那麼則考慮重入鎖，重新競爭鎖，重新休息
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}
CyclicBarrier的實戰用法
CyclicBarrier提供2個構造器：
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {}
public CyclicBarrier(int parties) {}
- parties：指讓多少個執行緒或者任務等待至barrier狀態；
- barrierAction：當這些執行緒都達到barrier狀態時會執行的內容。
CyclicBarrier中最重要的方法就是await方法
//掛起當前執行緒，直至所有執行緒都到達barrier狀態再同時執行後續任務；
public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException { };
//讓這些執行緒等待至一定的時間，如果還有執行緒沒有到達barrier狀態就直接讓到達barrier的執行緒執行後續任務
public int await(long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException,BrokenBarrierException,TimeoutException { };
public class cyclicBarrierTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5, new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("執行緒組執行結束");
}
});
for (int i = 0; i < 5; i++) {
new Thread(new readNum(i,cyclicBarrier)).start();
}
}
static class readNum implements Runnable{
private int id;
private CyclicBarrier cyc;
public readNum(int id,CyclicBarrier cyc){
this.id = id;
this.cyc = cyc;
}
@Override
public void run() {
synchronized (this){
System.out.println("id:"+id);
try {
cyc.await();
System.out.println("執行緒組任務" + id + "結束，其他任務繼續");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
輸出結果：
id:1
id:2
id:4
id:0
id:3
執行緒組執行結束
執行緒組任務3結束，其他任務繼續
執行緒組任務1結束，其他任務繼續
執行緒組任務4結束，其他任務繼續
執行緒組任務0結束，其他任務繼續
執行緒組任務2結束，其他任務繼續
總結
- 有了分析CountDownLatch、Semaphore的基礎後，再來分析CyclicBarrier顯然有了紮實的功底，分析起來順手多了；
- 在這裡我簡要總結一下CyclicBarrier的流程的一些特性：
- 用途讓一組執行緒互相等待，直到都到達公共屏障點才開始各自繼續做各自的工作；
- 可重複利用，每正常走完一次流程，或者異常結束流程，那麼接下來一輪還是可以繼續利用CyclicBarrier實現執行緒等待功能；
- 共存亡，只要有一個執行緒有異常發生中斷，那麼其它執行緒都會被喚醒繼續工作，然後接著就是拋異常處理；