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CyclicBarrier源码探究 (JDK 1.8)

纳兰小依 人气:0
`CyclicBarrier`也叫回环栅栏,能够实现让一组线程运行到栅栏处并阻塞,等到所有线程都到达栅栏时再一起执行的功能。“回环”意味着`CyclicBarrier`可以多次重复使用,相比于`CountDownLatch`只能使用一次,`CyclicBarrier`可以节省许多资源,并且还可以在构造器中传入任务,当栅栏条件满足时执行这个任务。`CyclicBarrier`是使用了`ReentrantLock`,主要方法在执行时都会加锁,因此并发性能不是很高。 ## 1.相关字段 ``` //重入锁,CyclicBarrier内部通过重入锁实现线程安全 private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); //线程阻塞时的等待条件 private final Condition trip = lock.newCondition(); //需要等待的线程数 private final int parties; //栅栏打开之后首先执行的任务 private final Runnable barrierCommand; //记录当前的分代标记 private Generation generation = new Generation(); //当前还需要等待多少个线程运行到栅栏位置 private int count; ``` 需要注意的是`generation`字段,用于标记栅栏当前处在哪一代。当满足一定的条件时(例如调用了`reset`方法,或者栅栏打开等),栅栏状态会切换到下一代,实际就是`new`一个新的`Generation`对象,这是`CyclicBarrier`的内部类,代码非常简单,如下: ``` private static class Generation { boolean broken = false; //标记栅栏是否被破坏 } ``` 实际使用的过程中,会利用`generation`字段判断当前是否在同一个分代,而使用`broker`字段判断栅栏是否被破坏。 ## 2.构造函数 `CyclicBarrier`有两个重载的构造函数,构造函数只是对上述的相关字段进行初始化,如下: ``` public CyclicBarrier(int parties) { this(parties, null); } public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) { if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException(); this.parties = parties; this.count = parties; this.barrierCommand = barrierAction; } ``` ## 3.核心方法 - `await` `await`是开发时最常用到的方法了,同`CountDownLatch`一样,`CyclicBarrier`也提供了两个`await`方法,一个不带参数,一个带有超时参数,其内部只是简单调用了一下`dowait`方法: ``` public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException { try { return dowait(false, 0L); } catch (TimeoutException toe) { throw new Error(toe); // cannot happen } } public int await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, BrokenBarrierException, TimeoutException { return dowait(true, unit.toNanos(timeout)); } ``` 接下来看看至关重要的`dowait`方法: ``` private int dowait(boolean timed, long nanos) throws InterruptedException, BrokenBarrierException, TimeoutException { final ReentrantLock lock = this.lock; //加重入锁 lock.lock(); try { //首先获取年龄代信息 final Generation g = generation; //如果栅栏状态被破坏,抛出异常,例如先启动的线程调用了breakBarrier方法,后启动的线程就能够看到g.broker=true if (g.broken) throw new BrokenBarrierException(); //检测线程的中断状态,如果线程设置了中断状态,则通过breakBarrier设置栅栏为已破坏状态,并唤醒其他线程 //如果这里能够检测到中断状态,那只可能是在await方法外部设置的 if (Thread.interrupted()) { breakBarrier(); throw new InterruptedException(); } //每调用一次await,就将需要等待的线程数减1 int index = --count; //index=0表示这是最后一个到达的线程,由该线程执行下面的逻辑 if (index == 0) { // tripped boolean ranAction = false; try { final Runnable command = barrierCommand; //如果在构造器中传入了第二个任务参数,就在放开栅栏前先执行这个任务 if (command != null) command.run(); ranAction = true; //正常结束,需要唤醒阻塞的线程,并换代 nextGeneration(); return 0; } finally { //try代码块如果正常执行,ranAction就一定等于true,而try代码块唯一可能发生异常的地方就是command.run(), //因此这里为了保证在任务执行失败时,将栅栏标记为已破坏,唤醒阻塞线程 if (!ranAction) breakBarrier(); } } // loop until tripped, broken, interrupted, or timed out for (;;) { try { //没有设置超时标记,就加入等待队列 if (!timed) trip.await(); //设置了超时标记,但目前还没有超时,则继续等待 else if (nanos > 0L) nanos = trip.awaitNanos(nanos); } catch (InterruptedException ie) { //如果线程等待的过程中被中断,会执行到这里 //g == generation表示当前还在同一个年龄分代中,!g.broker表示当前栅栏状态没有被破坏 if (g == generation && ! g.broken) { breakBarrier(); throw ie; } else { //上面的条件不满足,说明:1)g!=generation,说明线程执行到这里时已经换代了 //2)没有换代,但是栅栏被破坏了 //无论哪种情况,都只是简单地设置一下当前线程的中断状态 Thread.currentThread().interrupt(); } } //栅栏被破坏,抛出异常 //注意,在breakBarrier方法中会唤醒所有等待条件的线程,这些线程会执行到这里,判断栅栏已经被破坏,都会抛出异常 if (g.broken) throw new BrokenBarrierException(); //距离上一次设置g变量的值已经过去很长时间了,在执行过程中generation可能已经发生改变, //当前线程还是前几代的,不需要再循环阻塞了,直接返回上一代剩余需要等待的线程数 //注意:代码中breakBarrier方法和nextGeneration方法都会唤醒阻塞的线程,但是breakBarrier在上一个判断就被拦截了, //因此走到这里的有三种情况: //a)最后一个线程正常执行,栅栏打开导致其他线程被唤醒;不属于当前代的线程直接返回, //属于当前代的则可能因为没到栅栏开放条件要继续循环阻塞 //b)栅栏被重置(调用了reset方法),此时g!=negeration,全都直接返回 //c)线程等待超时了,不属于当前代的返回就可以了,属于当前代的则要设置generation.broken = true if (g != generation) return index; //如果线程等待超时,标记栅栏为破坏状态并抛出异常,如果还没超时,则自旋后又重新阻塞 if (timed && nanos <= 0L) { breakBarrier(); throw new TimeoutException(); } } } finally { //别忘了解锁 lock.unlock(); } } ``` `dowait`的方法逻辑是:每一个调用`await`方法的线程都会将计数`count`减`1`,最后一个线程将`count`减为`0`时,顺带还要执行`barrierCommand`指定的任务,并将`generation`切换到下一代,当然,最重要的还是要唤醒之前在栅栏处阻塞的线程。由于`trip`对应的`Condition`对象没有任何地方会修改,因此`trip.signalAll()`会唤醒所有在该条件上等待的线程,如果线程在等待的过程中,其他线程将`generation`更新到下一代,就会出现被唤醒的线程中有部分还属于之前那一代的情况。 接下来将会对`dowait`用到的一些方法进行简单介绍。 - `breakBarrier` `dowait`方法有四个地方调用了`breakBarrier`,从名字可以看出,该方法会将`generation.broken`设置为`true`,除此之外,还会还原`count`的值,并且唤醒所有被阻塞的线程: ``` private void breakBarrier() { generation.broken = true; count = parties; //唤醒所有的阻塞线程 trip.signalAll(); } ``` 纵观`CyclicBarrier`源码,`generation.broken`统一在`breakBarrier`方法中被设置为`true`,而一旦将`generation.broken`设置为`true`之后,代码中检查到这个状态之后都会抛出异常,栅栏就没办法再使用了(可以手动调用`reset`进行重置),而源码中会在以下几种情况调用`breakBarrier`方法: 1) 当前线程被中断 2)通过构造器传入的任务执行失败 3) 条件等待时被中断 4) 线程等待超时 5) 显式调用`reset`方法 - `nextGeneration` ``` private void nextGeneration() { // 唤醒所有的阻塞线程 trip.signalAll(); // 开启下一代 count = parties; generation = new Generation(); } ``` - `reset` `reset`方法主要是结束这一代,并切换到下一代 ``` public void reset() { final ReentrantLock lock = this.lock; lock.lock(); try { breakBarrier(); // break the current generation nextGeneration(); // start a new generation } finally { lock.unlock(); } } ``` 介绍到这里,整个`CyclicBarrier`已经差不多介绍完了,但是内部的流程远远没有这么简单,因为很大一部分逻辑封装在`AbstractQueuedSynchronizer`中,这个类定义了阻塞的线程如何加入等待队列,又如何被唤醒,因此如果想要深入了解线程等待的逻辑,还需要仔细研究`AbstractQueuedSynchronizer`才行。本文不会对这部分内容进行介绍,后面有时间的话将会专门对其进行介绍。

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