要点解说
CyclicBarrier是一个同步辅助类，它允许一组线程互相等待，直到所有线程都到达某个公共屏障点(也可以叫同步点)，即相互等待的线程都完成调用await方法，所有被屏障拦截的线程才会继续运行await方法后面的程序。在涉及一组固定大小的线程的程序中，这些线程必须不时地互相等待，此时CyclicBarrier很有用。因为该屏障点在释放等待线程后可以重用，所以称它为循环的屏障点。CyclicBarrier支持一个可选的Runnable命令，在一组线程中的最后一个线程到达屏障点之后（但在释放所有线程之前），该命令只在所有线程到达屏障点之后运行一次，并且该命令由最后一个进入屏障点的线程执行。
实例演示
CyclicBarrier简单使用样例。
public class CyclicBarrierDemo { @Test
public void test() { final CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(2, myThread); new Thread(new Runnable() { @Override
public void run() { try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName());
barrier.await();
System.out.println(Thread.currentThread().getName());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}, "thread1").start(); new Thread(new Runnable() { @Override
public void run() { try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName());
barrier.await();
System.out.println(Thread.currentThread().getName());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}, "thread2").start();
}
Thread myThread = new Thread(new Runnable() { @Override
public void run() {
System.out.println("myThread");
}
}, "thread3");
}结果输出：
thread1 thread2 myThread thread2 thread1
方法解析
1.CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) 创建一个CyclicBarrier实例，parties指定参与相互等待的线程数，barrierAction指定当所有线程到达屏障点之后，首先执行的操作，该操作由最后一个进入屏障点的线程执行。
2.CyclicBarrier(int parties) 创建一个CyclicBarrier实例，parties指定参与相互等待的线程数。
3.getParties() 返回参与相互等待的线程数。
4.await() 该方法被调用时表示当前线程已经到达屏障点，当前线程阻塞进入休眠状态，直到所有线程都到达屏障点，当前线程才会被唤醒。
5.await(long timeout, TimeUnit unit) 该方法被调用时表示当前线程已经到达屏障点，当前线程阻塞进入休眠状态，在timeout指定的超时时间内，等待其他参与线程到达屏障点；如果超出指定的等待时间，则抛出TimeoutException异常，如果该时间小于等于零，则此方法根本不会等待。
6.isBroken() 判断此屏障是否处于中断状态。如果因为构造或最后一次重置而导致中断或超时，从而使一个或多个参与者摆脱此屏障点，或者因为异常而导致某个屏障操作失败，则返回true；否则返回false。
7.reset() 将屏障重置为其初始状态。
8.getNumberWaiting() 返回当前在屏障处等待的参与者数目，此方法主要用于调试和断言。
源码解析
CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)和await()方法是CyclicBarrier的核心，本篇重点分析这两个方法的背后实现原理。 首先，看一下CyclicBarrier内声明的一些属性信息：
//用于保护屏障入口的锁private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();//线程等待条件private final Condition trip = lock.newCondition();//记录参与等待的线程数private final int parties;//当所有线程到达屏障点之后，首先执行的命令private final Runnable barrierCommand;private Generation generation = new Generation();//实际中仍在等待的线程数，每当有一个线程到达屏障点，count值就会减一；当一次新的运算开始后，count的值被重置为partiesprivate int count;
其中，Generation是CyclicBarrier的一个静态内部类，它只有一个boolean类型的属性，具体代码如下：
private static class Generation { boolean broken = false;
}当使用构造方法创建CyclicBarrier实例的时候，就是给上面这些属性赋值，
//创建一个CyclicBarrier实例，parties指定参与相互等待的线程数，
//barrierAction指定当所有线程到达屏障点之后，首先执行的操作，该操作由最后一个进入屏障点的线程执行。
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) { if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException(); this.parties = parties; this.count = parties; this.barrierCommand = barrierAction;
} //创建一个CyclicBarrier实例，parties指定参与相互等待的线程数
public CyclicBarrier(int parties) { this(parties, null);
}当调用await()方法时，当前线程已经到达屏障点，当前线程阻塞进入休眠状态，
//该方法被调用时表示当前线程已经到达屏障点，当前线程阻塞进入休眠状态
//直到所有线程都到达屏障点，当前线程才会被唤醒
public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException { try { return dowait(false, 0L);
} catch (TimeoutException toe) { throw new Error(toe); // cannot happen;
}
} //该方法被调用时表示当前线程已经到达屏障点，当前线程阻塞进入休眠状态
//在timeout指定的超时时间内，等待其他参与线程到达屏障点
//如果超出指定的等待时间，则抛出TimeoutException异常，如果该时间小于等于零，则此方法根本不会等待
public int await(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException,
BrokenBarrierException,
TimeoutException { return dowait(true, unit.toNanos(timeout));
} private int dowait(boolean timed, long nanos)
throws InterruptedException, BrokenBarrierException,
TimeoutException { //使用独占资源锁控制多线程并发进入这段代码
final ReentrantLock lock = this.lock; //独占锁控制线程并发访问
lock.lock(); try { final Generation g = generation; if (g.broken) throw new BrokenBarrierException(); //如果线程中断，则唤醒所有等待线程
if (Thread.interrupted()) {
breakBarrier(); throw new InterruptedException();
} //每调用一次await()方法，计数器就减一
int index = --count; //当计数器值等于0的时
if (index == 0) { // tripped
boolean ranAction = false; try { final Runnable command = barrierCommand; //如果在创建CyclicBarrier实例时设置了barrierAction，则先执行barrierAction
if (command != null)
command.run();
ranAction = true; //当所有参与的线程都到达屏障点，为唤醒所有处于休眠状态的线程做准备工作
//需要注意的是，唤醒所有阻塞线程不是在这里
nextGeneration(); return 0;
} finally { if (!ranAction)
breakBarrier();
}
} // loop until tripped, broken, interrupted, or timed out
for (;;) { try { if (!timed) //让当前执行的线程阻塞，处于休眠状态
trip.await(); else if (nanos > 0L) //让当前执行的线程阻塞，在超时时间内处于休眠状态
nanos = trip.awaitNanos(nanos);
} catch (InterruptedException ie) { if (g == generation && ! g.broken) {
breakBarrier(); throw ie;
} else { // We're about to finish waiting even if we had not
// been interrupted, so this interrupt is deemed to
// "belong" to subsequent execution.
Thread.currentThread().interrupt();
}
} if (g.broken) throw new BrokenBarrierException(); if (g != generation) return index; if (timed && nanos <= 0L) {
breakBarrier(); throw new TimeoutException();
}
}
} finally { //释放独占锁
lock.unlock();
}
} private void nextGeneration() { //为唤醒所有处于休眠状态的线程做准备工作
trip.signalAll(); //重置count值为parties
count = parties; //重置中断状态为false
generation = new Generation();
} private void breakBarrier() { //重置中断状态为true
generation.broken = true; //重置count值为parties
count = parties; //为唤醒所有处于休眠状态的线程做准备工作
trip.signalAll();
}到这里CyclicBarrier的实现原理基本已经都清楚了，下面来深入源码分析一下线程阻塞代码trip.await()和线程唤醒trip.signalAll()的实现。
//await()是AQS内部类ConditionObject中的方法
public final void await() throws InterruptedException { //如果线程中断抛异常
if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); //新建Node节点，并将新节点加入到Condition等待队列中
//Condition等待队列是AQS内部类ConditionObject实现的，ConditionObject有两个属性，分别是firstWaiter和lastWaiter，都是Node类型
//firstWaiter和lastWaiter分别用于代表Condition等待队列的头结点和尾节点
Node node = addConditionWaiter(); //释放独占锁，让其它线程可以获取到dowait()方法中的独占锁
int savedState = fullyRelease(node); int interruptMode = 0; //检测此节点是否在资源等待队列(AQS同步队列)中，
//如果不在，说明此线程还没有竞争资源锁的权利，此线程继续阻塞，直到检测到此节点在资源等待队列上(AQS同步队列)中
//这里出现了两个等待队列，分别是Condition等待队列和AQS资源锁等待队列(或者说是同步队列)
//Condition等待队列是等待被唤醒的线程队列，AQS资源锁等待队列是等待获取资源锁的队列
while (!isOnSyncQueue(node)) { //阻塞当前线程，当前线程进入休眠状态，可以看到这里使用LockSupport.park阻塞当前线程
LockSupport.park(this); if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0) break;
} if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT; if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
unlinkCancelledWaiters(); if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
} //addConditionWaiter()是AQS内部类ConditionObject中的方法
private Node addConditionWaiter() {
Node t = lastWaiter; // 将condition等待队列中，节点状态不是CONDITION的节点，从condition等待队列中移除
if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
unlinkCancelledWaiters();
t = lastWaiter;
} //以下操作是用此线程构造一个节点，并将之加入到condition等待队列尾部
Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION); if (t == null)
firstWaiter = node; else
t.nextWaiter = node;
lastWaiter = node; return node;
} //signalAll是AQS内部类ConditionObject中的方法
public final void signalAll() { if (!isHeldExclusively()) throw new IllegalMonitorStateException(); //Condition等待队列的头结点
Node first = firstWaiter; if (first != null)
doSignalAll(first);
} private void doSignalAll(Node first) {
lastWaiter = firstWaiter = null; do {
Node next = first.nextWaiter;
first.nextWaiter = null; //将Condition等待队列中的Node节点按之前顺序都转移到了AQS同步队列中
transferForSignal(first);
first = next;
} while (first != null);
} final boolean transferForSignal(Node node) { if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0)) return false; //这里将Condition等待队列中的Node节点插入到AQS同步队列的尾部
Node p = enq(node); int ws = p.waitStatus; if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
LockSupport.unpark(node.thread); return true;
} //ReentrantLock#unlock()方法
public void unlock() { //Sync是ReentrantLock的内部类，继承自AbstractQueuedSynchronizer，它是ReentrantLock中公平锁和非公平锁的基础实现
sync.release(1);
} public final boolean release(int arg) { //释放锁
if (tryRelease(arg)) { //AQS同步队列头结点
Node h = head; if (h != null && h.waitStatus != 0) //唤醒节点中的线程
unparkSuccessor(h); return true;
} return false;
} private void unparkSuccessor(Node node) { int ws = node.waitStatus; if (ws < 0)
compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);
Node s = node.next; if (s == null || s.waitStatus > 0) {
s = null; for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev) if (t.waitStatus <= 0)
s = t;
} if (s != null) //唤醒阻塞线程
LockSupport.unpark(s.thread);
}原理总结
用上面的示例总结一下CyclicBarrier的await方法实现，假设线程thread1和线程thread2都执行到CyclicBarrier的await()，都进入dowait(boolean timed, long nanos)，thread1先获取到独占锁，执行到--count的时，index等于1，所以进入下面的for循环，接着执行trip.await()，进入await()方法，执行Node node = addConditionWaiter()将当前线程构造成Node节点并加入到Condition等待队列中，然后释放获取到的独占锁，当前线程进入阻塞状态；此时，线程thread2可以获取独占锁，继续执行--count，index等于0，所以先执行command.run()，输出myThread，然后执行nextGeneration()，nextGeneration()中trip.signalAll()只是将Condition等待队列中的Node节点按之前顺序都转移到了AQS同步队列中，这里也就是将thread1对应的Node节点转移到了AQS同步队列中，thread2执行完nextGeneration()，返回return 0之前，细看代码还需要执行lock.unlock()，这里会执行到ReentrantLock的unlock()方法，最终执行到AQS的unparkSuccessor(Node node)方法，从AQS同步队列中的头结点开始释放节点，唤醒节点对应的线程
作者：JavaQ
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