多线程进阶——JUC并发编程之CyclicBarrier源码一探究竟🔥

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2020/02/27 12:07
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1、学习切入点

百度翻译大概意思就是:

一种同步辅助程序,允许一组线程相互等待到达一个公共的屏障点。CyclicBarrier在涉及固定大小的线程方的程序中非常有用,这些线程方有时必须相互等待。这个屏障被称为循环屏障,因为它可以在等待的线程被释放后重新使用。

CyclicBarrier支持可选的Runnable命令,该命令在参与方中的最后一个线程到达后,但在释放任何线程之前,每个屏障点运行一次。此屏障操作有助于在任何参与方继续之前更新共享状态。

动图演示:

在上文中我们分析完了 CountDownLatch源码,可以理解为减法计数器,是基于AQS的共享模式使用,而CyclicBarrier相比于CountDownLatch 来说,要简单很多,它类似于加法计数器,在源码中使用 ReentrantLock 和 Condition 的组合来使用。

2、案例演示 CyclicBarrier 

//加法计数器
public class CyclicBarrierDemo {
    public static void main(String[] args) {
        /**
         * 集齐5名队员,开始游戏
         */
        // 开始战斗的线程
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5,()->{
            System.out.println("欢迎来到王者荣耀,敌军还有五秒到达战场!全军出击!");
        });
        for (int i = 1; i <=5 ; i++) {
            final int temp = i;
            // lambda能操作到 i 吗
            new Thread(()->{
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"第"+temp+"个进入游戏!");
                try {
                    cyclicBarrier.await(); // 等待
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } catch (BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
    }
}

3、入手构造器

//构造器1
/** 创建一个新的CyclicBarrier,它将在给定数量的参与方(线程)等待时触发,并在触发屏障时执行给定的屏障操作,由最后一个进入屏障的线程执行 */   
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
        if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
        this.parties = parties;
        this.count = parties;
        this.barrierCommand = barrierAction;
    }

//构造器2
/** 创建一个新的CyclicBarrier,当给定数量的参与方(线程)在等待它时,它将跳闸,并且在屏障跳闸时不执行预定义的操作 */
public CyclicBarrier(int parties) {
        this(parties, null);
    }

其中构造器1为核心构造器,在这里你可以指定 parties 本局游戏的参与者的数量(要拦截的线程数)以及 barrierAction 本局游戏结束时要执行的任务。

3、入手成员变量

   /** 同步操作锁 */
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    /** 线程拦截器 Condition维护了一个阻塞队列*/
    private final Condition trip = lock.newCondition();
    /** 每次拦截的线程数 */
    private final int parties;
    /* 换代前执行的任务 */
    private final Runnable barrierCommand;
    /** 表示栅栏的当前代 类似代表本局游戏*/
    private Generation generation = new Generation();
    /** 计数器 */
    private int count;
    /** 静态内部类Generation  */
    private static class Generation {
        boolean broken = false;
    }

3、入手核心方法

3.1、【await】方法源码分析

下面分析这两个方法,分别为【非定时等待】和【定时等待】!

//非定时等待
public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
        try {
            return dowait(false, 0L);
        } catch (TimeoutException toe) {
            throw new Error(toe); // cannot happen
        }
    }
//定时等待
public int await(long timeout, TimeUnit unit)throws InterruptedException,
              BrokenBarrierException,
              TimeoutException {
       return dowait(true, unit.toNanos(timeout));
   }

可以看到,最终两个方法都走【dowait】 方法,只不过参数不同。下面我们重点看看这个方法到底做了哪些事情。

//核心等待方法
 private int dowait(boolean timed, long nanos)
        throws InterruptedException, BrokenBarrierException,
               TimeoutException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();//加锁操作
        try {
            final Generation g = generation;
            //检查当前栅栏是否被打翻
            if (g.broken)
                throw new BrokenBarrierException();
            //检查当前线程是否被中断
            if (Thread.interrupted()) {
                breakBarrier();
                throw new InterruptedException();
            }
            //每次都将计数器的值-1
            int index = --count;
            //计数器的值减为0,则需要唤醒所有线程并转换到下一代
            if (index == 0) {  // tripped
                boolean ranAction = false;
                try {
                    //唤醒所有线程前先执行指定的任务
                    final Runnable command = barrierCommand;
                    if (command != null)
                        command.run();
                    ranAction = true;
                    //唤醒所有线程并转换到下一代
                    nextGeneration();
                    return 0;
                } finally {
                    //确保在任务未成功执行时能将所有线程唤醒
                    if (!ranAction)
                        breakBarrier();
                }
            }
            //如果计数器不为0 则执行此循环
            // loop until tripped, broken, interrupted, or timed out
            for (;;) {
                try {
                    //根据传入的参数来觉得是定时等待还是非定时等待
                    if (!timed)
                        //如果没有时间限制,则直接等待,直到被唤醒
                        trip.await();
                    else if (nanos > 0L)
                        //如果有时间限制,则等待指定时间
                        nanos = trip.awaitNanos(nanos);
                } catch (InterruptedException ie) {
                    //若当前线程在等待期间被中断则打翻栅栏唤醒其它线程
                    if (g == generation && ! g.broken) {
                        breakBarrier();
                        throw ie;
                    } else {
                        // 若在捕获中断异常前已经完成在栅栏上的等待,则直接调用中断操作
                        Thread.currentThread().interrupt();
                    }
                }
                //如果线程因为打翻栅栏操作而被唤醒则抛出异常
                if (g.broken)
                    throw new BrokenBarrierException();
                //如果线程因为换代操作而被唤醒则返回计数器的值
                if (g != generation)
                    return index;
                //如果线程因为时间到了而被唤醒则打翻栅栏并抛出异常
                if (timed && nanos <= 0L) {
                    breakBarrier();
                    throw new TimeoutException();
                }
            }
        } finally {
            lock.unlock();//最终解锁
        }
    }

分两步分析,首先计数器的值减为0的情况,和计数器不为0的情况,首先第一种情况下:

第二种情况,计数器不为0,则进入自旋for(;;):

多线程同时并发访问,如何阻塞当前线程?

我们翻看源码,这里就看一下没有时间限制的【trip.await】方法:

整个await的过程:

1、将当前线程加入到Condition锁队列中。特别主要要区分AQS的等待队列,这里进入的是Condition的FIFO队列

2、释放锁。这里可以看到【fullyRelease】将锁释放了,否则【acquireQueued(node, savedState)】别的线程就无法拿到锁而发生死锁。

3、自旋(while)挂起,直到被唤醒或者超时或者CACELLED等。

4、获取锁【acquireQueued】方法,并将自己从Condition的FIFO队列中释放,表面自己不再需要锁(我已经有锁了)

3.2、Condition 队列与AQS等待队列 补充

AQS等待队列与Condition队列是两个相互独立的队列,【await】就是在当前线程持有锁的基础上释放锁资源,并新建Condition节点加入到Condition队列尾部,阻塞当前线程。【signal】就是将当前Condition的头结点移动到AQS等待队列节点尾部,让其等待再次获取锁。下面画图演示区别:

节点1执行Condition.await()->(1)将head后移 ->(2)释放节点1的锁并从AQS等待队列中移除->(3)将节点1加入到Condition的等待队列中->(4)更新lastWrite为节点1

节点2执行signal()操作->(1)将firstWrite后移->(2)将节点4移出Condition队列->(3)将节点4加入到AQS的等待队列中去->(4)更新AQS等待队列的tail

3.3、总结:

一、Condition的数据结构:

我们知道一个Condition可以在多个地方被await(),那么就需要一个FIFO的结构将这些Condition串联起来,然后根据需要唤醒一个或者多个(通常是所有)。所以在Condition内部就需要一个FIFO的队列。
private transient Node firstWaiter;
private transient Node lastWaiter;

上面的两个节点就是描述一个FIFO的队列。我们再结合前面提到的节点(Node)数据结构。我们就发现Node.nextWaiter就派上用场了!nextWaiter就是将一系列的Condition.await 串联起来组成一个FIFO的队列。

二、线程何时阻塞和释放

阻塞:await()方法中,在线程释放锁资源之后,如果节点不在AQS等待队列,则阻塞当前线程,如果在等待队列,则自旋等待尝试获取锁
释放:signal()后,节点会从condition队列移动到AQS等待队列,则进入正常锁的获取流程。

3.4、【signalAll】signalAll源码分析

signalAll】方法,唤醒所有在Condition阻塞队列中的线程

private void breakBarrier() {
        generation.broken = true;
        count = parties;
        trip.signalAll();//唤醒Condition中等待的线程
    }

public final void signalAll() {
            if (!isHeldExclusively())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            Node first = firstWaiter;
            if (first != null)
                doSignalAll(first);
     }
/** 这个方法相当于把Condition队列中的所有Node全部取出插入到等待队列中去 */
private void doSignalAll(Node first) {
            lastWaiter = firstWaiter = null;
            do {
                Node next = first.nextWaiter;
                first.nextWaiter = null;
                transferForSignal(first);
                first = next;
            } while (first != null);
       }
/** 将节点从条件队列传输到同步队列AQS的等待队列中 */
final boolean transferForSignal(Node node) {
        //核心添加节点到AQS队列方法
        Node p = enq(node);
        int ws = p.waitStatus;
        if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
            LockSupport.unpark(node.thread);
        return true;
    }
/** 使用CAS+自旋方式插入节点到等待队列,如果队列为空,则初始化队列 */
private Node enq(final Node node) {
        for (;;) {
            Node t = tail;
            if (t == null) { // Must initialize
                if (compareAndSetHead(new Node()))
                    tail = head;
            } else {
                node.prev = t;
                if (compareAndSetTail(t, node)) {
                    t.next = node;
                    return t;
                }
            }
        }

3.5、【reset】方法源码分析

最后,我们来看看怎么重置一个栅栏:

将屏障重置为初始状态。如果任何一方目前在隔离墙等候,他们将带着BrokenBarrierException返回。 请注意,由于其他原因发生中断后的重置可能很复杂;线程需要以其他方式重新同步,并选择一种方式执行重置。 最好是创建一个新的屏障供以后使用
    public void reset() {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            breakBarrier();   // break the current generation
            nextGeneration(); // start a new generation
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

测试reset代码:

首先,打破栅栏,那意味着所有等待的线程(5个等待的线程)会唤醒,【await 】方法会通过抛出【BrokenBarrierException】异常返回。然后开启新一代,重置了 count 和 generation,相当于一切归0了。

4、CyclicBarrier 与 CountDownLatch 的区别

相同点:

1、都可以实现一组线程在到达某个条件之前进行等待

2、它们内部都有一个计数器,当计数器的值不断减为0的时候,所有阻塞的线程都会被唤醒!

不同点:

1、CyclicBarrier 的计数器是由它自己来控制,而CountDownLatch 的计数器则是由使用则来控制

2、在CyclicBarrier 中线程调用 await方法不仅会将自己阻塞,还会将计数器减1,而在CountDownLatch中线程调用 await方法只是将自己阻塞而不会减少计数器的值。

3、另外,CountDownLatch 只能拦截一轮,而CyclicBarrier 可以实现循环拦截。一般来说CyclicBarrier 可以实现 CountDownLatch的功能,而反之不能。

5、总结:

当调用【cyclicBarrier.await】方法时,最终都会执行【dowait】方法,使用了ReentrantLock去上锁,每次讲计数器count值-1,当计数器值-1为0的时候,会先执行指定任务,调用Condition的【trip.signalAll()】唤醒所有线程并进入下一代

如果当前计数器值-1不为0的时候,进入自旋,执行Condition的【await()】方法,将当前线程添加到Condition的条件队列中等待,执行【fullyRelease】调用【tryRelease】将count值-1,再判断count值是否为0,为0 则会先执行指定任务,调用Condition的【trip.signalAll()】唤醒所有线程并进入下一代,再判断是否在AQS等待队列中,如果不在的话就park当前线程进入AQS等待队列中,否则自旋直到被唤醒在Condition中的等待队列被signalAll进入AQS等待队列中获取锁

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