JUC的CyclicBarrier怎么實(shí)現(xiàn)

這篇文章主要介紹“JUC的CyclicBarrier怎么實(shí)現(xiàn)”，在日常操作中，相信很多人在JUC的CyclicBarrier怎么實(shí)現(xiàn)問(wèn)題上存在疑惑，小編查閱了各式資料，整理出簡(jiǎn)單好用的操作方法，希望對(duì)大家解答”JUC的CyclicBarrier怎么實(shí)現(xiàn)”的疑惑有所幫助！接下來(lái)，請(qǐng)跟著小編一起來(lái)學(xué)習(xí)吧！

CyclicBarrier 實(shí)現(xiàn)內(nèi)幕

前面介紹的 CountDownLatch 同步器是基于 AQS 實(shí)現(xiàn)的，而本文要介紹的 CyclicBarrier 則沒(méi)有直接繼承 AQS 的 AbstractQueuedSynchronizer 抽象類(lèi)，而是基于 ReentrantLock 鎖進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。首先來(lái)看一下 CyclicBarrier 的字段定義，如下：

public class CyclicBarrier {

    /** 支撐 CyclicBarrier 的重入鎖 */
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    /** 條件隊(duì)列，已經(jīng)到達(dá)屏障的線程會(huì)在條件隊(duì)列中等待其它線程 */
    private final Condition trip = lock.newCondition();
    /** 參與的線程數(shù) */
    private final int parties;
    /** 當(dāng)所有線程都到達(dá)屏障時(shí)的回調(diào)函數(shù) */
    private final Runnable barrierCommand;
    /** 當(dāng)前年代對(duì)象 */
    private Generation generation = new Generation();
    /** 當(dāng)前剩余未完成的線程數(shù) */
    private int count;

    // ... 省略方法定義

}

上述各個(gè)字段的含義如代碼注釋?zhuān)@里我們進(jìn)一步解釋一下 generation 字段，該字段為 Generation 類(lèi)型，用于表示當(dāng)前 CyclicBarrier 同步器的年代信息。Generation 內(nèi)部類(lèi)定義如下：

private static class Generation {
    boolean broken = false;
}

當(dāng)新建一個(gè) CyclicBarrier 對(duì)象時(shí)會(huì)初始化 CyclicBarrier#generation 字段。此外，當(dāng)所有參與的線程都到達(dá)屏障后（也稱(chēng) tripped），或者 CyclicBarrier 被重置（即調(diào)用 CyclicBarrier#reset 方法）時(shí)，會(huì)新建一個(gè) Generation 對(duì)象賦值給 CyclicBarrier#generation 字段，表示年代的更替。

Generation 定義的 Generation#broken 屬性用于標(biāo)識(shí)當(dāng)前屏障是否被打破。當(dāng) CyclicBarrier 被重置，或者參與到該屏障的某個(gè)線程被中斷、等待超時(shí)，亦或是執(zhí)行回調(diào)函數(shù)發(fā)生異常，都會(huì)導(dǎo)致屏障被打破。破損的屏障（即 broken=true）會(huì)導(dǎo)致當(dāng)前參與等待的線程，以及已經(jīng)處于等待狀態(tài)的線程拋出 BrokenBarrierException 異常，并退出當(dāng)前屏障進(jìn)程。

因?yàn)?CyclicBarrier 的復(fù)用性，導(dǎo)致在程序運(yùn)行期間可能并存多個(gè)年代信息，但是任何時(shí)刻只有一個(gè)年代對(duì)象是活躍的，剩余的年代對(duì)象對(duì)應(yīng)的 CyclicBarrier 要么是已經(jīng)用完的（tripped），要么就是已經(jīng)破損的。

介紹完了字段定義，下面來(lái)分析一下 CyclicBarrier 的方法實(shí)現(xiàn)，首先來(lái)看一下構(gòu)造方法。CyclicBarrier 定義了兩個(gè)構(gòu)造方法，實(shí)現(xiàn)如下：

public CyclicBarrier(int parties) {
    this(parties, null);
}

public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
    if (parties <= 0) {
        throw new IllegalArgumentException();
    }
    this.parties = parties;
    this.count = parties;
    this.barrierCommand = barrierAction;
}

其中 parties 參數(shù)用于指定當(dāng)前參與的線程數(shù)，參數(shù) barrierAction 用于指定當(dāng)所有參與的線程都到達(dá)屏障時(shí)的回調(diào)邏輯。你可能有些疑問(wèn)，既然設(shè)置了 parties 字段，為什么還要設(shè)置一個(gè) count 字段呢？

考慮 CyclicBarrier 是可重用的，所以需要有一個(gè)字段記錄參與線程的數(shù)目，即 parties 字段，而 count 字段初始值等于 parties 字段值，但是在運(yùn)行期間其值是會(huì)隨著參與線程逐一到達(dá)屏障而遞減的，所以 count 值始終記錄的是當(dāng)前未到達(dá)屏障的線程數(shù)。當(dāng) CyclicBarrier 被重置時(shí)，我們需要依據(jù) parties 字段值來(lái)重置 count 字段值。

繼續(xù)來(lái)看一下 CyclicBarrier 除構(gòu)造方法以外的剩余方法實(shí)現(xiàn)，主要分析一下 CyclicBarrier#await 方法和 CyclicBarrier#reset 方法。首先來(lái)看一下 CyclicBarrier#reset 方法，當(dāng)我們希望復(fù)用 CyclicBarrier 對(duì)象時(shí)可以調(diào)用該方法，用于重置 count 值、年代信息，并喚醒所有位于條件隊(duì)列中等待的線程。方法實(shí)現(xiàn)如下：

public void reset() {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        this.breakBarrier();   // break the current generation
        this.nextGeneration(); // start a new generation
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

private void breakBarrier() {
    // 標(biāo)識(shí)當(dāng)前屏障被打破
    generation.broken = true;
    // 重置 count 字段值
    count = parties;
    // 喚醒所有等待的線程
    trip.signalAll();
}

private void nextGeneration() {
    // 喚醒所有等待的線程
    trip.signalAll();
    // 重置 count 值
    count = parties;
    generation = new Generation();
}

再來(lái)看一下 CyclicBarrier#await 方法，該方法用于阻塞當(dāng)前線程，以在屏障處等待其它線程到達(dá)，CyclicBarrier 還為該方法定義了超時(shí)等待版本。當(dāng)一個(gè)線程因調(diào)用 CyclicBarrier#await 方法進(jìn)入等待狀態(tài)時(shí)，該線程將會(huì)在滿足以下條件之一時(shí)退出等待狀態(tài)：

1. 所有參與的線程都已經(jīng)到達(dá)了屏障。

2. 當(dāng)前線程被中斷，或者其它處于等待狀態(tài)的線程被中斷。

3. 如果啟用了超時(shí)機(jī)制，并且某個(gè)參與的線程等待超時(shí)。

4. CyclicBarrier 被重置。

方法 CyclicBarrier#await 的普通版本和超時(shí)版本在實(shí)現(xiàn)上都是直接委托給 CyclicBarrier#dowait 方法執(zhí)行，所以下面主要來(lái)分析一下該方法，實(shí)現(xiàn)如下：

private int dowait(boolean timed, long nanos) throws InterruptedException, BrokenBarrierException, TimeoutException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    // 加鎖
    lock.lock();
    try {
        // 獲取當(dāng)前年代信息
        final Generation g = generation;

        // 當(dāng)前屏障被打破，拋出異常
        if (g.broken) {
            throw new BrokenBarrierException();
        }

        // 當(dāng)前線程被中斷，打破屏障，并喚醒所有等待的線程
        if (Thread.interrupted()) {
            this.breakBarrier();
            throw new InterruptedException();
        }

        int index = --count;
        // 如果 count 值為 0，說(shuō)明所有的線程都已經(jīng)到達(dá)屏障
        if (index == 0) {  // tripped
            boolean ranAction = false;
            try {
                // 如果設(shè)置了回調(diào)，則執(zhí)行
                final Runnable command = barrierCommand;
                if (command != null) {
                    command.run();
                }
                ranAction = true;
                // 喚醒所有等待的線程，并重置屏障
                this.nextGeneration();
                return 0;
            } finally {
                // 如果執(zhí)行回調(diào)異常
                if (!ranAction) {
                    this.breakBarrier();
                }
            }
        }

        // count 值不為 0，說(shuō)明存在還未到達(dá)屏障的線程，則進(jìn)入條件隊(duì)列等待

        // loop until tripped, broken, interrupted, or timed out
        for (; ; ) {
            try {
                if (!timed) {
                    // 進(jìn)入條件隊(duì)列等待
                    trip.await();
                } else if (nanos > 0L) {
                    // 進(jìn)入條件隊(duì)列超時(shí)等待
                    nanos = trip.awaitNanos(nanos);
                }
            } catch (InterruptedException ie) {
                // 當(dāng)前線程被中斷，響應(yīng)中斷
                if (g == generation && !g.broken) {
                    this.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();
                }
            }

            // 屏障被打破
            if (g.broken) {
                throw new BrokenBarrierException();
            }

            // 當(dāng)前 CyclicBarrier 已經(jīng)被重置
            if (g != generation) {
                return index;
            }

            // 等待超時(shí)
            if (timed && nanos <= 0L) {
                this.breakBarrier();
                throw new TimeoutException();
            }
        }
    } finally {
        // 釋放鎖
        lock.unlock();
    }
}

由上述實(shí)現(xiàn)我們可以總結(jié)線程在調(diào)用 CyclicBarrier#await 方法時(shí)的整體執(zhí)行流程。如果當(dāng)前線程不是最后一個(gè)到達(dá)屏障的線程（遞減 count 值之后仍然大于 0），則調(diào)用 Condition#await 方法（或超時(shí)版本）將當(dāng)前線程添加到條件隊(duì)列中等待。如果當(dāng)前線程是最后一個(gè)到達(dá)屏障的線程（遞減 count 值之后為 0），則在線程到達(dá)屏障后執(zhí)行：

1. 如果指定了回調(diào)邏輯，則執(zhí)行該回調(diào)，如果期間發(fā)生任何異常，則打破屏障、重置 count 值，并喚醒條件隊(duì)列中所有等待的線程；

2. 否則，繼續(xù)調(diào)用 CyclicBarrier#nextGeneration 方法喚醒條件隊(duì)列中所有等待的線程，并重置 count 值和年代信息。

在上述過(guò)程中如果當(dāng)前線程或處于等待狀態(tài)的線程被中斷、屏障被打破、年代信息發(fā)生變化，或者等待超時(shí)（如果允許的話），則線程將會(huì)從 Condition#await 方法中退出，即當(dāng)前屏障失效。

到此，關(guān)于“JUC的CyclicBarrier怎么實(shí)現(xiàn)”的學(xué)習(xí)就結(jié)束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實(shí)踐的搭配能更好的幫助大家學(xué)習(xí)，快去試試吧！若想繼續(xù)學(xué)習(xí)更多相關(guān)知識(shí)，請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注億速云網(wǎng)站，小編會(huì)繼續(xù)努力為大家?guī)?lái)更多實(shí)用的文章！