面了十几家,每次都变着花样问的CyclicBarrier详解

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之前介绍了java中另一个同步工具类CountDownLatch,这篇文章主要介绍CyclicBarrier。重要性不必多说,面试的时候,面试官兜兜转转给了特定场景下的问题,最后提醒才回答上。所以如果你面试用到的话,一定要结合很多场景回答。

一、概念理解

CyclicBarrier允许一组线程在到达某个栅栏点(common barrier point)互相等待,直到最后一个线程到达栅栏点,栅栏才会打开,处于阻塞状态的线程恢复继续执行。

就比如说我们在打王者的时候,十个人必须全部加载到100%,才可以开局。否则只要有一个人没有加载到100%,那这个游戏就不能开始。先加载完成的玩家必须等待最后一个玩家加载成功才可以。如果你实在记不住,你可以想象成人满发车的长途,就算你是第一个上车的人,也要等待车满才可以发车。否则车上所有人都要等待。

面了十几家,每次都变着花样问的CyclicBarrier详解

与CountDownLatch的区别就是是否相互等待。举一个例子,CountDownLatch就好比是马拉松比赛,跑完的人不用等待其他选手是否结束,而CyclicBarrier需要等最后一个玩家加载结束。这就是区别。

我们直接代码演示一下这个例子。

二、代码演示

在这里我们同样使用的是打王者的例子。

首先我们定义main线程:

public class CyclicBarrierTest {
 public static void main(String[] args) {
  //第一步:定义玩家,这里写了5个
  String[] heros  = {"孙悟空","猪八戒","狄仁杰","鲁班","甄姬"};
  //第二步:使用线程池来运行,也是5个。
  ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(5);
  //第三步:常见围栏,也是5个
  final CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(10);
  //第四步:通过for循环传递给每一个玩家和围栏
  for (int i = 0; i < 10; i++) {
            service.execute(new Player(heros[i], barrier));
        }
  service.shutdown();
 }
}

上面的代码我们已经解释清楚了,主要是通过线程池运行玩家,并传递给每一个玩家名字和围栏。下面我们就看看这个Player玩家线程如何实现的。

public class Player implements Runnable {
 private final String hero;
    private final CyclicBarrier barrier;
 public Player(String hero, CyclicBarrier barrier) {
  this.hero = hero;
  this.barrier = barrier;
 }
 @Override
 public void run() {
  try {
   //每一个英雄加载成功的时间不一样,所以这里用了随机数
   TimeUnit.SECONDS.sleep(1 + (new Random().nextInt(5)));
   System.out.println(hero + "开始加载==========等待其他玩家加载成功");
   barrier.await();
   System.out.println(hero + ":看到所有玩家加载成功,比赛开始");
  } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
   e.printStackTrace();
  }
 }
}

在这个player线程中,我们使用随机数来表示每个玩家不同的加载时间,在休眠时间结束之前,player一直处于等待的状态,也就是调用了await方法。现在测试一遍。

面了十几家,每次都变着花样问的CyclicBarrier详解

现在相信通过这个案例,大家都能掌握其用法,很简单。下面我们从源码的角度来分析一下其实现原理。

三、源码分析

为了分析的彻底,我们先从构造方法开始:

//构造方法1:parties主要是需要拦截的线程数
public CyclicBarrier(int parties) {
    this(parties, null);
}
//构造方法2:不仅有parties还有barrierAction
//主要是为了处理更加复杂的场景,当线程到达围栏时候
//优先执行barrierAction
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
    if (parties <= 0throw new IllegalArgumentException();
    this.parties = parties;
    this.count = parties;
    this.barrierCommand = barrierAction;
}

以上就是两个构造方法,下面我们主要分析await方法我们进入源码看看:

 //不带超时时间
    public int await() throws InterruptedException, 
       BrokenBarrierException 
{
        try {
            return dowait(false0L);
        } catch (TimeoutException toe) {
            throw new Error(toe); // cannot happen
        }
    }
 //带有超时时间
    public int await(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, BrokenBarrierException,
               TimeoutException 
{
        return dowait(true, unit.toNanos(timeout));
    }

返回的值是加载成功的玩家数量,既然内部是通过dowait方法实现的,不如我们再跟进去看看。

    private int dowait(boolean timed, long nanos)
        throws InterruptedException, BrokenBarrierException,
               TimeoutException 
{
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            final Generation g = generation;
            if (g.broken)
                throw new BrokenBarrierException();
            if (Thread.interrupted()) {
                breakBarrier();
                throw new InterruptedException();
            }
            int index = --count;
            if (index == 0) {  // tripped
                boolean ranAction = false;
                try {
                    final Runnable command = barrierCommand;
                    if (command != null)
                        command.run();
                    ranAction = true;
                    nextGeneration();
                    return 0;
                } finally {
                    if (!ranAction)
                        breakBarrier();
                }
            }
            for (;;) {
                try {
                    if (!timed)
                        trip.await();
                    else if (nanos > 0L)
                        nanos = trip.awaitNanos(nanos);
                } catch (InterruptedException ie) {
                    if (g == generation && ! g.broken) {
                        breakBarrier();
                        throw ie;
                    } else {
                        Thread.currentThread().interrupt();
                    }
                }
                if (g.broken)
                    throw new BrokenBarrierException();
                if (g != generation)
                   return index;
                if (timed && nanos <= 0L) {
                    breakBarrier();
                    throw new TimeoutException();
                }
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

上面的代码有点长,不过也是CyclicBarrier的核心,我在这里说一下上面代码的主要功能:

(1)通过ReentrantLock获取独占锁。

(2)通过try里面的Generation判断当前代是否损坏, 通过Thread的interrupted方法判断是否线程中断,如果中断通过breakBarrier方法告诉其他线程。

(3)if(index==0)判断当前是否是最后一个线程调用了await方法,如果是则把之前等待的线程全部唤醒。就好比是最后一个运动员到达了终点,告诉其他选手比赛结束了。

(4)for(;;)循环执行等待,如果没有超时时间,那就一直等待直到被唤醒,有超时时间,那就等时间过后自动被唤醒。就好比是在运动员在路上跑步,没有时间限制的时候那就一直跑,一直到达终点。如果有时间限制,不管是否跑到终点,比赛都结束。

(5)通过ReentrantLock释放独占锁。

这段代码读起来比较麻烦,因为里面涉及到了两个其他的类ReentrantLock和Generation,我们只需要知道其作用即可。还有一个点,那就是线程被中断了,如何告诉其他线程的breakBarrier方法。

    /**
     * Sets current barrier generation as broken and wakes up everyone.
     * Called only while holding lock.
     */

    private void breakBarrier() {
        generation.broken = true;
        count = parties;
        trip.signalAll();
    }

我们可以看到,在breakBarrier()中除了将broken设置为true,还会调用signalAll将在CyclicBarrier处于等待状态的线程全部唤醒。

OK,今天的文章就先到这,关于CyclicBarrier原理我们已经解释了,其用途可以根据自己的业务场景来决定了。

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原文始发于微信公众号(愚公要移山):面了十几家,每次都变着花样问的CyclicBarrier详解