CountDownLatch 瞬间炸裂！同基于 AQS，凭什么 CyclicBarrier 可以这么秀？

2024-04-11 21:14:55

前言

看完 CountDownLatch 正准备表示一番，突然看到了一个 CyclicBarrier —— 回环屏障。沃特？回环还屏障？说比 CountDownLatch 要多一个回环，那咱可得瞧一瞧，看一看了！

公众号：『刘志航』，记录工作学习中的技术、开发及源码笔记；时不时分享一些生活中的见闻感悟。欢迎大佬来指导！

介绍

一个同步辅助，它允许一组线程的所有等待彼此达成共同屏障点。

CyclicBarrier 在涉及固定线程数且必须等待彼此的程序非常有用。

该屏障被称为回环屏障，因为它在等待的线程被释放后可以被重新利用。

CyclicBarrier 支持一个可选的 Runnable 命令，该命令在障碍中的最后一个线程到达之后，但在释放任何线程之前，每个屏障点运行一次。

此屏障操作对于在任何一方继续之前更新共享状态很有用。

通过上面的源码注释基本可以得出以下结论：

CyclicBarrier 和 CountDownLatch 类似，但它是一组线程等待，直到在其他线程中执行的一组操作完成为止。
CountDownLatch 是计数递减，结束后再调用 await 或者 countdown 都会立即返回，但是 CyclicBarrier 可以重置屏障。
CyclicBarrier 还可以传入参数 Runnable ，Runnable 会在释放线程之前执行。

基本使用

既然上面总结了三个结论，下面当然从三个方面演示如何使用的：

- 屏障功能

public class CyclicBarrierTest {

    private static final CyclicBarrier CYCLIC_BARRIER = new CyclicBarrier(11);

    public static void main(String[] args) throws BrokenBarrierException, InterruptedException {

        ExecutorService pool = new ThreadPoolExecutor(10, 10, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                new LinkedBlockingQueue<>(1024),
                new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("Thread-pool-%d").build(),
                new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());

        for (int i = 0; i < 10; i++) {

            pool.submit(() -> {

                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 开始执行");
                    Thread.sleep(5000);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 执行结束，准备调用 await");
                    CYCLIC_BARRIER.await();
                } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

            });

        }

        System.out.println("主线程执行 —————————————— >>>");

        CYCLIC_BARRIER.await();

        System.out.println("主线程继续执行 —————————————— >>>");

        pool.shutdown();

    }
}

通过上面代码其实模拟了个类似 CountDownLatch 的功能，让所有线程等待，直到都调用 await 之后，各个线程继续执行，同时主线程也继续往下执行。

不过相对 CountDownLatch 的指定一个线程或多个等待，直到其他线程执行结束，等待的线程才继续执行来说，CyclicBarrier 相对来说还是逊色。

差别总结如下：

CountDownLatch 是指定等待的线程，其他线程进行 countDown，等计数为 0 时，等待的线程继续执行。
CyclicBarrier 是一组线程调用 await 进行等待，当所有的都进入等待的时候，这一组就会一起冲破屏障继续执行。

- 回环功能

public class CyclicBarrierTest2 {

    private static final CyclicBarrier CYCLIC_BARRIER = new CyclicBarrier(5);

    public static void main(String[] args) throws BrokenBarrierException, InterruptedException {
        
        ExecutorService pool = new ThreadPoolExecutor(5, 5, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                new LinkedBlockingQueue<>(1024),
                new ThreadFactoryBuilder().setNameFormat("Thread-pool-%d").build(),
                new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());

        for (int i = 0; i < 5; i++) {

            pool.submit(() -> {

                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 开始执行");
                    CYCLIC_BARRIER.await();

                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 冲破屏障 >>> 1");
                    CYCLIC_BARRIER.await();

                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 冲破屏障 >>>>> 2");
                    CYCLIC_BARRIER.await();
                } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

            });

        }

        pool.shutdown();
    }
}

上面演示的回环的用法。

- 回环 Runnable

这块只需要在声明的 CyclicBarrier 修改为以下即可：

private static final CyclicBarrier CYCLIC_BARRIER = new CyclicBarrier(5, new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("执行一次 Runnable ");
    }
});

打印结果如下：

可以看出只是在下一个计数开始之前，先执行 Runnable 。至于是不是在释放屏障之前，那很容易，直接 Debug 走一遭就知道了！专门录制了个视频：

通过 debug 可以看出Runnable 会在释放线程之前执行。

问题疑问？

CyclicBarrier 和 AQS 有什么关系？
CyclicBarrier 的实现原理是什么？
CyclicBarrier 是如何实现回环的？

下面就带着疑问去源码阅读，一探究竟！

源码分析

基本结构

通过 UML 乍一看，CyclicBarrier 和 AQS 并无什么关系，那下面开始从参数、构造器、await()方法分别看源码。

参数

public class CyclicBarrier {

    /**
     * 屏障的每次使用都表示为一个生成实例。
     * broken 表示屏障是否被打破。
     */
    private static class Generation {
        boolean broken = false;
    }

    /** 锁 */
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    /** 条件等待，直到屏障 */
    private final Condition trip = lock.newCondition();
    /** 等待计数 */
    private final int parties;
    /* The command to run when tripped */
    private final Runnable barrierCommand;
    /** 当前 generation 新创建的*/
    private Generation generation = new Generation();
    /** 仍在等待的 parties 数量，递减 为 0 会重置 */
    private int count; 
}

通过上面可以看出：

内部使用了一个静态类 Generation ，它有什么功能呢？通过注释了解到，每次使用屏障的时候都会生成，具体有什么用，其实就是用来标示屏障是否被打破。

内部还有一个 parties 表示等待计数，count 表示仍在等待的计数。

那就继续往下看吧！

构造器

public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
    if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
    this.parties = parties;
    this.count = parties;
    this.barrierCommand = barrierAction;
}

这里的入参有两个：

parties（等待计数）：记录多少个线程调用 await 之后，才会一起打破屏障。
barrierAction：冲破屏障前执行的行为。
但是会同时对 parties 和 count 赋值为传入的 parties。

单参数构造，其实就是将 barrierAction 赋值为 null。

await() 方法

在示例中用的 await() 方法，那就从 await() 方法入手：

public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
    try {
        return dowait(false, 0L);
    } catch (TimeoutException toe) {
        throw new Error(toe); // cannot happen
    }
}

await() 才是重头戏，先来根据源码注释，了解是干嘛的，看看作者怎么讲：

等到所有各方都在此障碍上调用await。
如果当前线程不是最后到达的线程，则出于线程调度目的将其禁用，并使其处于休眠状态，直到发生以下情况之一：
1. 最后一个线程到达；
2. 其他一些线程中断当前线程；
3. 其他一些线程中断其他正在等待的线程之一；
4. 等待屏障的时候其他线程超时；
5. 其他一些线程在此屏障上调用 reset。

看到这些，咱们最想看的当然是 2.1 ，等待最后一个线程到达屏障，之后所有的线程一起继续执行。


private int dowait(boolean timed, long nanos)
    throws InterruptedException, BrokenBarrierException,
            TimeoutException {
    
    // 加锁
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {

        // 在这里用到了这个代
        final Generation g = generation;

        if (g.broken)
            throw new BrokenBarrierException();
        // 线程终中断标示
        if (Thread.interrupted()) {
            breakBarrier();
            throw new InterruptedException();
        }

        // 对计数进行递减
        int index = --count;
        // 如果是 0 则
        if (index == 0) {  // tripped
            boolean ranAction = false;
            try {
                final Runnable command = barrierCommand;
                // 不是 null 先执行行为
                if (command != null)
                    // 这里不是新开线程
                    command.run();
                ranAction = true;
                // 下一代
                nextGeneration();
                return 0;
            } finally {
                // 任务未成功时，即 ranAction 还是 false 打破屏障
                if (!ranAction)
                    breakBarrier();
            }
        }

        // loop until tripped, broken, interrupted, or timed out
        // 自旋
        for (;;) {
            try {
                // 没有设置超时时间
                if (!timed)
                // 进入等待
                    trip.await();
                else if (nanos > 0L)
                    nanos = trip.awaitNanos(nanos);
            } catch (InterruptedException ie) {
                if (g == generation && ! g.broken) {
                    breakBarrier();
                    throw ie;
                } else {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            }

            if (g.broken)
                throw new BrokenBarrierException();
            // 已经下一代了
            if (g != generation)
                return index;

            if (timed && nanos <= 0L) {
                breakBarrier();
                throw new TimeoutException();
            }
        }
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

这一大坨代码，完全没有看的欲望，直接划过去吧！

所以…… 直接看到了这里吧。

代码还是要阅读的，分开来看（异常流程省略）：

使用了 ReentrantLock 互斥锁，因此对 count、broken 的修改是原子性的。
对 count 进行 --count 操作，这样就理解为什么说 count 是仍在等待的计数，或者说还有多少才能到达屏障点。
当 count 为 0 ，表示到达屏障点了
2. command 不为 null，会先执行 command.run()，值得注意的是这里并不是新开了个线程。
3. nextGeneration()开始新的下一代，即重置 count 为 parties。
4. 在 finally 里面使用 breakBarrier() 打破屏障。
当 count 不是 0
1. 自旋，直到是 0.

这后面还有两个方法不能少：

private void nextGeneration() {
    // 唤醒线程
    trip.signalAll();
    // 更新 count 为 parties
    count = parties;
    // 更新 Generation
    generation = new Generation();
}

// 打破屏障，并唤醒全部
private void breakBarrier() {
    generation.broken = true;
    count = parties;
    trip.signalAll();
}

reset()


public void reset() {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        breakBarrier();   // break the current generation
        nextGeneration(); // start a new generation
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

将屏障重置为其初始状态，reset() 方法其实还是调用的 breakBarrier() 和 nextGeneration()，前者时打破当前代，后者是开始新的一轮。

总结

Q: CyclicBarrier 和 AQS 有什么关系？
A: 通过阅读源码，其实发现是使用了 ReentrantLock 互斥锁以及 Condition 的等待唤醒功能。

Q: CyclicBarrier 的实现原理是什么？
A: 内部含有两个计数，分别是 parties 和 count ，初始是二者相等，当有线程调用 await() 时，count 递减，只要 count 不为 0 ，就会阻塞线程，直到 count 递减为 0 时，此时会所有线程一起释放，同时将 count 重置为 parties。

Q: CyclicBarrier 是如何实现回环的？
A: 使用两个计数，count 递减，当 count 为 0 时，会重置为 parties，从而达到回环效果。

Q: 为什么 count 的 --count 操作没有使用 CAS？
A: 因为已经 lock.lock() 了，使用了 ReentrantLock 锁能够保证 count 的原子性。

CyclicBarrier 和 CountDownLatch 的区别

回环：CyclicBarrier 可以回环，重新计数。CountDownLatch 只能一轮。
计数器：CyclicBarrier 的计数器自己维护递减， CountDownLatch 的计数器维护则是交给使用者。
阻塞线程：CyclicBarrier 阻塞的是自身，当到达屏障后，所有被阻塞的线程一起释放。CountDownLatch 可以指定阻塞线程。

结束语

本文主要介绍了 CyclicBarrier 的常用方式，通过源码方式，分析如何达到屏障以及回环的效果。不对之处，请多指正。

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