Java源码分析系列笔记-8.CyclicBarrier

章海 · 2025-6-25 06:37:39

1. 是什么
2. 如何使用
- 2.1. 不带Runnable
- 2.2. 带Runnale
3. 原理分析
- 3.1. uml
- 3.2. 构造方法
  - 3.2.1. 使用Lock和Condition实现
- 3.3. await方法
  - 3.3.1. 首先是加锁
  - 3.3.2. 然后减信号量
  - 3.3.3. 最后一个到达的需要执行prepareAction、唤醒线程并换代
    - 3.3.3.1. 怎么唤醒并换代的
  - 3.3.4. 最后一个线程未到达前，其他线程阻塞等待唤醒
    - 3.3.4.1. 线程被中断，置当前代失效的操作
  - 3.3.5. 最后一个线程到达唤醒其他所有线程后，其他所有线程退出循环
4. 总结
5. 参考

1. 是什么

可重复使用的计数器，让一堆线程互相等待，条件满足时一起往下执行
底层使用Lock+Condition实现阻塞等待和唤醒
2. 如何使用

2.1. 不带Runnable

当所有线程都到达await点的时候才一起往下执行

public class CyclicBarrierTest
{
private static final int count = 20;
private static final AtomicInteger val = new AtomicInteger();
private static final CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(count);
private static class CalcAction implements Runnable
{
@Override
public void run()
{
try
{
System.out.println("1." + Thread.currentThread().getName() + "到达await点");
int result = val.incrementAndGet();
if (result % 5 == 0)
{
System.out.println("2." + Thread.currentThread().getName() + "休眠3s");
TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
}
barrier.await();
}
catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e)
{
e.printStackTrace();
}
System.out.println("3." + Thread.currentThread().getName() + "继续执行");
}
}
public static void main(String[] args)
{
for (int i = 0; i < count; i++)
{
new Thread(new CalcAction()).start();
}
}
}

复制代码

2.2. 带Runnale

当所有线程都到达await点的时候，最后一个到达的线程执行prepare，再一起往下执行

public class CyclicBarrierTest
{
private static final int count = 20;
private static final AtomicInteger val = new AtomicInteger();
private static final CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(count, new PrepareAction());
private static class PrepareAction implements Runnable
{
@Override
public void run()
{
try
{
System.out.println("2.所有线程到达await，最后一个到达的线程" + Thread.currentThread().getName() + "先执行PrepareAction，休眠3s");
TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
}
catch (InterruptedException e)
{
e.printStackTrace();
}
System.out.println("3.执行PrepareAction完毕");
}
}
private static class CalcAction implements Runnable
{
@Override
public void run()
{
try
{
System.out.println("1." + Thread.currentThread().getName() + "到达await点");
barrier.await();
}
catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e)
{
e.printStackTrace();
}
int result = val.incrementAndGet();
System.out.println("4." + Thread.currentThread().getName() + "执行计算：result: " + result);
}
}
public static void main(String[] args)
{
for (int i = 0; i < count; i++)
{
new Thread(new CalcAction()).start();
}
}
}

复制代码

3. 原理分析

3.1. uml

3.2. 构造方法

3.2.1. 使用Lock和Condition实现

public class CyclicBarrier {
//CyclicBarrier可以循环使用
private static class Generation {
//当前代是否损坏
boolean broken = false;
}
//使用lock阻塞在await点等待
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
//使用lock.condition唤醒阻塞的所有线程往下执行
private final Condition trip = lock.newCondition();
//总共的信号量
private final int parties;
//最后一个到达的线程先执行barrierCommand，所有线程再一起继续往下执行
private final Runnable barrierCommand;
//CyclicBarrier可以重复使用，每次使用都是一个generation
private Generation generation = new Generation();
//剩下多少个线程没有到达await点
private int count;
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
//初始化总的信号量
this.parties = parties;
//初始化剩余未使用的信号量=总的信号量
//相当于一开始就加锁了parties次，那么也就需要解锁parties次
this.count = parties;
this.barrierCommand = barrierAction;
}
}

复制代码

3.3.4.1. 线程被中断，置当前代失效的操作

breakBarrier

public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
try {
//调用dowait并且默认不设置超时
return dowait(false, 0L);
} catch (TimeoutException toe) {
throw new Error(toe); // cannot happen
}
}

复制代码

3.3.5. 最后一个线程到达唤醒其他所有线程后，其他所有线程退出循环

private int dowait(boolean timed, long nanos)
throws InterruptedException, BrokenBarrierException,
TimeoutException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
//1.先获取锁才能往下执行
lock.lock();
try {
//当前代，每reset一次代+1
final Generation g = generation;
//当前代已损坏--什么情况会导致损坏？--线程被中断，执行breakBarrier方法
if (g.broken)
throw new BrokenBarrierException();
//如果线程被中断，那么置当前代失效
if (Thread.interrupted()) {
breakBarrier();
throw new InterruptedException();
}
int index = --count;
//剩余的信号量为0,那么可以继续往下执行了
//即最后一个线程到达
if (index == 0) { // tripped
boolean ranAction = false;
try {
final Runnable command = barrierCommand;
//3.最后一个到达的线程先执行Runnable
if (command != null)
command.run();
ranAction = true;
//4.唤醒所有线程继续往下执行（46行）并且换代
nextGeneration();
//5.返回，不往下执行死循环
return 0;
} finally {
if (!ranAction)
breakBarrier();
}
}
// 死循环直到超时或者信号量都用完或者中断
for (;;) {
try {
if (!timed)
//2.未设置超时，那么调用Condition.await()方法等待唤醒
trip.await();
else if (nanos > 0L)
//设置超时，那么调用Condition.await(超时)方法等待唤醒或者超时
nanos = trip.awaitNanos(nanos);
} catch (InterruptedException ie) {
//发生了中断，break当前代
if (g == generation && ! g.broken) {
breakBarrier();
throw ie;
} else {
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
//break当前代只是个标记，这里才会抛出break异常
if (g.broken)
throw new BrokenBarrierException();
//6.正常执行并且已经换代，退出循环
if (g != generation)
return index;
//超时时间设置不对，直接break当前代
if (timed && nanos <= 0L) {
breakBarrier();
throw new TimeoutException();
}
}
} finally {
//7.解锁
lock.unlock();
}
}

复制代码

4. 总结

让一堆线程互相等待，条件满足（信号量降为0）时最后一个到达的线程先执行Runnable，接着所有线程一起往下执行
调用await的时候
- 除了最后一个线程外，其他所有线程依次获取lock，对信号量-1，阻塞等待唤醒（加入condition队列并释放锁）
- 最后一个线程到达后执行Runnable，唤醒所有线程（把所有condition队列中的节点转到AQS中）
- 唤醒的所有线程依次抢占到锁（从AQS队列中移除）后往下执行，检查代后退出循环，解锁

5. 参考

并发工具类（二）同步屏障CyclicBarrier | 并发编程网 – ifeve.com
Java并发之CyclicBarrier - 后端 - 掘金
【死磕 Java 并发】—- J.U.C 之并发工具类：CyclicBarrier | 芋道源码 —— 纯源码解析博客

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