Java多线程进阶（十九）—— J.U.C之synchronizer框架：CyclicBarrier

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一、CyclicBarrier简介

CyclicBarrier是一个辅助同步器类，在JDK1.5时随着J.U.C一起引入。

这个类的功能和我们之前介绍的CountDownLatch有些类似。我们知道，CountDownLatch是一个倒数计数器，在计数器不为0时，所有调用await的线程都会等待，当计数器降为0，线程才会继续执行，且计数器一旦变为0，就不能再重置了。

CyclicBarrier可以认为是一个栅栏，栅栏的作用是什么？就是阻挡前行。
顾名思义，CyclicBarrier是一个可以循环使用的栅栏，它做的事情就是：
让线程到达栅栏时被阻塞(调用await方法)，直到到达栅栏的线程数满足指定数量要求时，栅栏才会打开放行。

这其实有点像军训报数，报数总人数满足教官认为的总数时，教官才会安排后面的训练。

可以看下面这个图来理解下:
一共4个线程A、B、C、D，它们到达栅栏的顺序可能各不相同。当A、B、C到达栅栏后，由于没有满足总数【4】的要求，所以会一直等待，当线程D到达后，栅栏才会放行。

从CyclicBarrier的构造器，我们也可以看出关于这个类的一些端倪，CyclicBarrier有两个构造器：

构造器一：

这个构造器的参数parties就是之前说的需要满足的计数总数。

构造器二：

这个构造器稍微特殊一些，除了指定了计数总数外，传入了一个Runnable任务。

Runnable任务其实就是当最后一个线程到达栅栏时，后续立即要执行的任务。

比如，军训报数完毕后，总人数满足了要求，教官就会开始命令大家执行下一个任务，这个【下一个任务】就是这里的Runnable。

二、CyclicBarrier示例

我们来看一个CyclicBarrier的示例，来理解下它的功能。

假设现在有这样一个场景：
5个运动员准备跑步比赛，运动员在赛跑前会准备一段时间，当裁判发现所有运动员准备完毕后，就举起发令枪，比赛开始。
这里的起跑线就是屏障，运动员必须在起跑线等待其他运动员准备完毕。

public class CyclicBarrierTest {
    public static void main(String[] args) {

        int N = 5;  // 运动员数
        CyclicBarrier cb = new CyclicBarrier(N, new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("****** 所有运动员已准备完毕，发令枪：跑！******");
            }
        });

        for (int i = 0; i < N; i++) {
            Thread t = new Thread(new PrepareWork(cb), "运动员[" + i + "]");
            t.start();
        }

    }


    private static class PrepareWork implements Runnable {
        private CyclicBarrier cb;

        PrepareWork(CyclicBarrier cb) {
            this.cb = cb;
        }

        @Override
        public void run() {

            try {
                Thread.sleep(500);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 准备完成");
                cb.await();          // 在栅栏等待
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

执行上面的程序，可能的输出结果如下：

运动员[3]: 准备完成
运动员[1]: 准备完成
运动员[0]: 准备完成
运动员[2]: 准备完成
运动员[4]: 准备完成
****** 所有运动员已准备完毕，发令枪：跑！******

从输出可以看到，线程到达栅栏时会被阻塞(调用await方法)，直到到达栅栏的线程数满足指定数量要求时，栅栏才会打开放行。

CyclicBarrier对异常的处理

我们知道，线程在阻塞过程中，可能被中断，那么既然CyclicBarrier放行的条件是等待的线程数达到指定数目，万一线程被中断导致最终的等待线程数达不到栅栏的要求怎么办？

CyclicBarrier一定有考虑到这种异常情况，不然其它所有等待线程都会无限制地等待下去。
那么CyclicBarrier是如何处理的呢？

我们看下CyclicBarrier的await()方法：

public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
    //...
}

可以看到，这个方法除了抛出InterruptedException异常外，还会抛出BrokenBarrierException。

BrokenBarrierException表示当前的CyclicBarrier已经损坏了，可能等不到所有线程都到达栅栏了，所以已经在等待的线程也没必要再等了，可以散伙了。

出现以下几种情况之一时，当前等待线程会抛出BrokenBarrierException异常：

1. 其它某个正在await等待的线程被中断了
2. 其它某个正在await等待的线程超时了
3. 某个线程重置了CyclicBarrier(调用了reset方法，后面会讲到)

另外，只要正在Barrier上等待的任一线程抛出了异常，那么Barrier就会认为肯定是凑不齐所有线程了，就会将栅栏置为损坏（Broken）状态，并传播BrokenBarrierException给其它所有正在等待（await）的线程。

我们来对上面的例子做个改造，模拟下异常情况：

public class CyclicBarrierTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        int N = 5;  // 运动员数
        CyclicBarrier cb = new CyclicBarrier(N, new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("****** 所有运动员已准备完毕，发令枪：跑！******");
            }
        });

        List<Thread> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < N; i++) {
            Thread t = new Thread(new PrepareWork(cb), "运动员[" + i + "]");
            list.add(t);
            t.start();
            if (i == 3) {
                t.interrupt();  // 运动员[3]置中断标志位
            }
        }

        Thread.sleep(2000);
        System.out.println("Barrier是否损坏：" + cb.isBroken());
    }


    private static class PrepareWork implements Runnable {
        private CyclicBarrier cb;

        PrepareWork(CyclicBarrier cb) {
            this.cb = cb;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 准备完成");
                cb.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 被中断");
            } catch (BrokenBarrierException e) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": 抛出BrokenBarrierException");
            }
        }
    }
}

可能的输出结果：

运动员[0]: 准备完成
运动员[2]: 准备完成
运动员[1]: 准备完成
运动员[3]: 准备完成
运动员[3]: 被中断
运动员[4]: 准备完成
运动员[4]: 抛出BrokenBarrierException
运动员[0]: 抛出BrokenBarrierException
运动员[1]: 抛出BrokenBarrierException
运动员[2]: 抛出BrokenBarrierException
Barrier是否损坏：true

这段代码，模拟了中断线程3的情况，从输出可以看到，线程0、1、2首先到达Brrier等待。
然后线程3到达，由于之前设置了中断标志位，所以线程3抛出中断异常，导致Barrier损坏，此时所有已经在栅栏等待的线程（0、1、2）都会抛出BrokenBarrierException异常。
此时，即使再有其它线程到达栅栏（线程4），都会抛出BrokenBarrierException异常。

注意：使用CyclicBarrier时，对异常的处理一定要小心，比如线程在到达栅栏前就抛出异常，此时如果没有重试机制，其它已经到达栅栏的线程会一直等待（因为没有还没有满足总数），最终导致程序无法继续向下执行。

三、CyclicBarrier原理

CyclicBarrier的构造

CyclicBarrier有两个构造器：
CyclicBarrier cb = new CyclicBarrier(10);

构造器内部的各个字段含义如下：

字段名	作用
parties	栅栏开启需要的到达线程总数
count	剩余未到达的线程总数
barrierCommand	最后一个线程到达后执行的任务

CyclicBarrier的内部结构

CyclicBarrier 并没有自己去实现AQS框架的API，而是利用了ReentrantLock和Condition。

public class CyclicBarrier {
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition trip = lock.newCondition();

    // 栅栏开启需要的到达线程总数
    private final int parties;

    // 最后一个线程到达后执行的任务
    private final Runnable barrierCommand;

    // 剩余未到达的线程总数
    private int count;

    // 当前轮次的运行状态
    private Generation generation = new Generation();

    // ...
}

需要注意的是generation这个字段：

我们知道，CyclicBarrier 是可以循环复用的，所以CyclicBarrier 的每一轮任务都需要对应一个generation 对象。
generation 对象内部有个broken字段，用来标识当前轮次的CyclicBarrier 是否已经损坏。
nextGeneration方法用来创建一个新的generation 对象，并唤醒所有等待线程，重置内部参数。

CyclicBarrier的核心方法

我们先来看下await方法：

可以看到，无论有没有超时功能，内部都是调了dowait这个方法：

dowait方法并不复杂，一共有3部分：

1. 判断栅栏是否已经损坏或当前线程已经被中断，如果是会分别抛出异常；
2. 如果当前线程是最后一个到达的线程，会尝试执行最终任务（如果构造CyclicBarrier对象时有传入Runnable的话），执行成功即返回，失败会破坏栅栏；
3. 对于不是最后一个到达的线程，会在Condition队列上等待，为了防止被意外唤醒，这里用了一个自旋操作。

破坏栅栏用的是breakBarrier方法：

再来看下CyclicBarrier的reset方法：

该方法先破坏栅栏，然后开始下一轮（新建一个generation对象）。

四、CyclicBarrier接口/类声明

类声明：

构造器声明：

接口声明：