CyclicBarrier 源码解析
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2021-01-11 17:30
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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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END
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