Java中CyclicBarrier的应用示例

一、简介

CyclicBarrier 字面意思回环栅栏（循环屏障），它可以实现让一组线程等待至某个状态（屏障点）之后再全部同时执行。叫做回环是因为当所有等待线程都被释放以后，CyclicBarrier可以被重用。 

CyclicBarrier 作用是让一组线程相互等待，当达到一个共同点时，所有之前等待的线程再继续执行，且 CyclicBarrier 功能可重复使用。

二、CyclicBarrier的使用

构造方法：

 // parties表示屏障拦截的线程数量，每个线程调用 await 方法告诉 CyclicBarrier 我已经到达了屏障，然后当前线程被阻塞。
 public CyclicBarrier(int parties)
 // 用于在线程到达屏障时，优先执行 barrierAction，方便处理更复杂的业务场景(该线程的执行时机是在到达屏障之后再执行)

重要方法：

//屏障 指定数量的线程全部调用await()方法时，这些线程不再阻塞
// BrokenBarrierException 表示栅栏已经被破坏，破坏的原因可能是其中一个线程 await() 时被中断或者超时
public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException
public int await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, BrokenBarrierException, TimeoutException
//循环  通过reset()方法可以进行重置

CyclicBarrier 应用场景

• 利用 CyclicBarrier 可以用于多线程计算数据，最后合并计算结果的场景。

• 利用 CyclicBarrier的计数器能够重置，屏障可以重复使用的特性，可以支持类似“人满发车”的场景

模拟合并计算场景

利用 CyclicBarrier 可以用于多线程计算数据，最后合并计算结果的场景。

public class CyclicBarrierTest2 {
    //保存每个学生的平均成绩
    private Conc urrentHashMap map=new ConcurrentHashMap();
    private ExecutorService threadPool= Executors.newFixedThreadPool(3);
    private CyclicBarrier cb=new CyclicBarrier(3,()->{
        int result=0;
        Set set = map.keySet();
        for(String s:set){
            result+=map.get(s);
        }
        System.out.println("三人平均成绩为:"+(result/3)+"分");
    });
    public void count(){
        for(int i=0;i<3;i++){
            threadPool.execute(new Runnable(){

                @Override
                public void run() {
                    //获取学生平均成绩
                    int score=(int)(Math.random()*40+60);
                    map.put(Thread.currentThread().getName(), score);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                            +"同学的平均成绩为："+score);
                    try {
                        //执行完运行await(),等待所有学生平均成绩都计算完毕
                        cb.await();
                    } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }

            });
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        CyclicBarrierTest2 cb=new CyclicBarrierTest2();
        cb.count();
    }
}

模拟“人满发车”的场景

利用CyclicBarrier的计数器能够重置，屏障可以重复使用的特性，可以支持类似“人满发车”的场景

public class CyclicBarrierTest3 {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger counter = new AtomicInteger();
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(
                5, 5, 1000, TimeUnit.SECONDS,
                new ArrayBlockingQueue<>(100),
                (r) -> new Thread(r, counter.addAndGet(1) + " 号 "),
                new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());

        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5,
                () -> System.out.println("裁判：比赛开始~~"));

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            threadPoolExecutor.submit(new Runner(cyclicBarrier));
        }

    }
    static class Runner extends Thread{
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;
        public Runner (CyclicBarrier cyclicBarrier) {
            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
        }
        @Override
        public void run() {
            try {
                int sleepMills = ThreadLocalRandom.current().nextInt(1000);
                Thread.sleep(sleepMills);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 选手已就位, 准备共用时： " + sleepMills + "ms" + cyclicBarrier.getNumberWaiting());
                cyclicBarrier.await();

            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }catch(BrokenBarrierException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

}

输出结果：

3 号  选手已就位, 准备共用时： 78ms0
1 号  选手已就位, 准备共用时： 395ms1
5 号  选手已就位, 准备共用时： 733ms2
2 号  选手已就位, 准备共用时： 776ms3
4 号  选手已就位, 准备共用时： 807ms4
裁判：比赛开始~~
4 号  选手已就位, 准备共用时： 131ms0
3 号  选手已就位, 准备共用时： 256ms1
2 号  选手已就位, 准备共用时： 291ms2
1 号  选手已就位, 准备共用时： 588ms3
5 号  选手已就位, 准备共用时： 763ms4
裁判：比赛开始~~

三、CyclicBarrier 源码分析

CyclicBarrier 流程

主要是的流程：

• 获取锁 如果 count != 0 就进入阻塞；

• 进入阻塞之前，首先需要进入条件队列，然后释放锁，最后阻塞；

• 如果 count != 0 会进行一个唤醒，将所有的条件队列中的节点转换为阻塞队列；

• 被唤醒过后会进行锁的获取，如果锁获取失败，会进入 lock 的阻塞队列；

• 如果锁获取成功，进行锁的释放，以及唤醒，同步队列中的线程。

下面是一个简单的流程图：

下面是具体的一些代码调用的流程：

几个常见的问题？

• 1.一组线程在触发屏障之前互相等待，最后一个线程到达屏障后唤醒逻辑是如何实现的. 唤醒的过程是通过调用 java.util.concurrent.locks.Condition#signalAll唤醒条件队列上的所有节点。

• 2.删栏循环使用是如何实现的? 实际上一个互斥锁 ReentrantLock 的条件队列和阻塞队列的转换。

• 3.条件队列到同步队列的转换实现逻辑 ? 转换过程中，首先会先将条件队列中所有的阻塞线程唤醒，然后会去获取 lock 如果获取失败，就进入同步队列。

CyclicBarrier 与 CountDownLatch的区别

• CountDownLatch的计数器只能使用一次，而CyclicBarrier的计数器可以使用reset() 方法重置。所以CyclicBarrier能处理更为复杂的业务场景，比如如果计算发生错误，可以重置计数器，并让线程们重新执行一次

• CyclicBarrier还提供getNumberWaiting(可以获得CyclicBarrier阻塞的线程数量)、isBroken(用来知道阻塞的线程是否被中断)等方法。

• CountDownLatch会阻塞主线程，CyclicBarrier不会阻塞主线程，只会阻塞子线程。

• CountDownLatch和CyclicBarrier都能够实现线程之间的等待，只不过它们侧重点不同。CountDownLatch一般用于一个或多个线程，等待其他线程执行完任务后，再执行。CyclicBarrier一般用于一组线程互相等待至某个状态，然后这一组线程再同时执行。

• CyclicBarrier 还可以提供一个 barrierAction，合并多线程计算结果。

• CyclicBarrier是通过ReentrantLock的"独占锁"和Conditon来实现一组线程的阻塞唤醒的，而CountDownLatch则是通过AQS的“共享锁”实现