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深入理解AQS之CyclicBarrier_aqs cyclicbarrier

作者：不正经 | 2024-02-27 01:23:28

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aqs cyclicbarrier

一. 简介

CyclicBarrier ，回环栅栏（循环屏障），通过它可以实现让一组线程等待至某个状态（屏障点）之后再全部同时执行。叫做回环是因为当所有等待线程都被释放以后，CyclicBarrier可以被重用。
在这里插入图片描述

二. CyclicBarrier的使用

构造方法

//parties表示屏障拦截的线程数量，每个线程调用await方法告诉CyclicBarrier我已经到达了屏障，然后当前线程被阻塞。
public CyclicBarrier(int parties) {
        this(parties, null);
    }
 //用于在线程到达屏障时，优先执行 barrierAction，
 //方便处理更复杂的业务场景(该线程的执行时机是在到达屏障之后再执行)
 public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
        if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
        this.parties = parties;
        this.count = parties;
        this.barrierCommand = barrierAction;
    }
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重要方法

//指定数量的线程全部调用await()方法时，这些线程不再阻塞
// BrokenBarrierException 表示栅栏已经被破坏，破坏的原因可能是其中一个线程 await() 时被中断或者超时
public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException
public int await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, BrokenBarrierException, TimeoutException
//循环重置
public void reset() {}
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三. CyclicBarrier的应用场景

CyclicBarrier 可以用于多线程计算数据，最后合并计算结果的场景。
例子一，多个线程调用await之后阻塞，等到达到屏障拦截的线程数量之后，再一起执行

public static void main(String[] args) {

        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3);

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    try {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                                + "开始等待其他线程");
                        cyclicBarrier.await();
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始执行");
                        //TODO 模拟业务处理
                        Thread.sleep(5000);
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");

                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();

        }
    }
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Thread-0开始等待其他线程
Thread-2开始等待其他线程
Thread-1开始等待其他线程
Thread-4开始等待其他线程
Thread-3开始等待其他线程
Thread-2开始执行
Thread-1开始执行
Thread-0开始执行

例子二用于多线程计算数据，最后合并计算结果的场景

  //保存每个学生的平均成绩
    private ConcurrentHashMap<String, Integer> map=new ConcurrentHashMap<String,Integer>();

    private ExecutorService threadPool= Executors.newFixedThreadPool(3);

    private CyclicBarrier cb=new CyclicBarrier(3,()->{
        int result=0;
        Set<String> set = map.keySet();
        for(String s:set){
            result+=map.get(s);
        }
        System.out.println("三人平均成绩为:"+(result/3)+"分");
    });


    public void count(){
        for(int i=0;i<3;i++){
            threadPool.execute(new Runnable(){

                @Override
                public void run() {
                    //获取学生平均成绩
                    int score=(int)(Math.random()*40+60);
                    map.put(Thread.currentThread().getName(), score);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                            +"同学的平均成绩为："+score);
                    try {
                        //执行完运行await(),等待所有学生平均成绩都计算完毕
                        cb.await();
                    } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }

            });
        }
    }


    public static void main(String[] args) {
        CyclicBarrierTest2 cb=new CyclicBarrierTest2();
        cb.count();
    }
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pool-1-thread-3同学的平均成绩为：62
pool-1-thread-1同学的平均成绩为：74
pool-1-thread-2同学的平均成绩为：85
三人平均成绩为:73分

例子三利用CyclicBarrier的计数器能够重置，屏障可以重复使用的特性

public static void main(String[] args) {

        AtomicInteger counter = new AtomicInteger();
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(
                5, 5, 1000, TimeUnit.SECONDS,
                new ArrayBlockingQueue<>(100),
                (r) -> new Thread(r, counter.addAndGet(1) + " 号 "),
                new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());

        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(5,
                () -> System.out.println("裁判：比赛开始~~"));

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            threadPoolExecutor.submit(new Runner(cyclicBarrier));
        }

    }
    static class Runner extends Thread{
        private CyclicBarrier cyclicBarrier;
        public Runner (CyclicBarrier cyclicBarrier) {
            this.cyclicBarrier = cyclicBarrier;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                int sleepMills = ThreadLocalRandom.current().nextInt(1000);
                Thread.sleep(sleepMills);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 选手已就位, 准备共用时： " + sleepMills + "ms" + cyclicBarrier.getNumberWaiting());
                cyclicBarrier.await();

            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }catch(BrokenBarrierException e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

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3 号选手已就位, 准备共用时： 223ms0
2 号选手已就位, 准备共用时： 315ms1
5 号选手已就位, 准备共用时： 471ms2
1 号选手已就位, 准备共用时： 556ms3
4 号选手已就位, 准备共用时： 923ms4
裁判：比赛开始~~
3 号选手已就位, 准备共用时： 285ms0
2 号选手已就位, 准备共用时： 413ms1
1 号选手已就位, 准备共用时： 533ms2
5 号选手已就位, 准备共用时： 661ms3
4 号选手已就位, 准备共用时： 810ms4
裁判：比赛开始~~

四. CyclicBarrier与CountDownLatch的区别

CountDownLatch的计数器只能使用一次，而CyclicBarrier的计数器可以使用reset() 方法重置。所以CyclicBarrier能处理更为复杂的业务场景，比如如果计算发生错误，可以重置计数器，并让线程们重新执行一次
CyclicBarrier还提供getNumberWaiting(可以获得CyclicBarrier阻塞的线程数量)、isBroken(用来知道阻塞的线程是否被中断)等方法。
CountDownLatch会阻塞主线程，CyclicBarrier不会阻塞主线程，只会阻塞子线程。
CountDownLatch和CyclicBarrier都能够实现线程之间的等待，只不过它们侧重点不同。CountDownLatch一般用于一个或多个线程，等待其他线程执行完任务后，再执行。CyclicBarrier一般用于一组线程互相等待至某个状态，然后这一组线程再同时执行。
CyclicBarrier 还可以提供一个 barrierAction，合并多线程计算结果。
CyclicBarrier是通过ReentrantLock的"独占锁"和Conditon来实现一组线程的阻塞唤醒的，而CountDownLatch则是通过AQS的“共享锁”实现

五. CyclicBarrier源码解析

以例子以为例，thread0 从await方法开始，await会调用dowait

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

private int dowait(boolean timed, long nanos)
        throws InterruptedException, BrokenBarrierException,
               TimeoutException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        //如果状态为0就将其修改为1，并设置当前线程,调用await时外面肯定是lock
        lock.lock();
        try {
          //每一个栈栏算是一代
            final Generation g = generation;

            if (g.broken)
                throw new BrokenBarrierException();

            if (Thread.interrupted()) {
                breakBarrier();
                throw new InterruptedException();
            }
			//每个线程执行一次,count自减一
            int index = --count;
            // count减到0，说明几个线程都到达屏障，就会重置 进入下一个屏障
            if (index == 0) {  
                boolean ranAction = false;
                try {
                    final Runnable command = barrierCommand;
                    if (command != null)
                        command.run();
                    ranAction = true;
                    nextGeneration();
                    return 0;
                } finally {
                    if (!ranAction)
                        breakBarrier();
                }
            }

            // loop until tripped, broken, interrupted, or timed out
            for (;;) {
                try {
                    if (!timed)
                    //trip就是一个条件队列condition，入条件等待队列，单向链表结构
                        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();

                if (g != generation)
                    return index;

                if (timed && nanos <= 0L) {
                    breakBarrier();
                    throw new TimeoutException();
                }
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
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入队阻塞的方法在await()中，下面看一下

public final void await() throws InterruptedException {
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
                //入队 创建节点
            Node node = addConditionWaiter();
            // 释放锁，这样其他线程才能获取锁，执行
            int savedState = fullyRelease(node);
            int interruptMode = 0;
            
            while (!isOnSyncQueue(node)) {
            	//不在当前队列中就阻塞
                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);
        }
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addConditionWaiter中创建节点,对于thread0，头节点是自己，lastWaiter也是自己

/**
*	添加条件等待节点
*/
private Node addConditionWaiter() {
            Node t = lastWaiter;
            //节点取消 则移除.
            if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
                unlinkCancelledWaiters();
                t = lastWaiter;
            }
            //创建一个节点，thread=Thread.currentThread()，waitstatus= Node.CONDITION =-2
            Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
            //如果上一个节点为null，则将该节点设置为头节点
            if (t == null)
                firstWaiter = node;
            else
                t.nextWaiter = node;
            lastWaiter = node;
            return node;
        }
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释放锁

final int fullyRelease(Node node) {
        boolean failed = true;
        try {
            int savedState = getState();
            if (release(savedState)) {
                failed = false;
                return savedState;
            } else {
                throw new IllegalMonitorStateException();
            }
        } finally {
            if (failed)
                node.waitStatus = Node.CANCELLED;
        }
    }
 public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }
 protected final boolean tryRelease(int releases) {
            int c = getState() - releases;
            if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            boolean free = false;
            //释放锁时state变为0了
            if (c == 0) {
                free = true;
                //将当前线程设置为null
                setExclusiveOwnerThread(null);
            }
            //修改state状态值
            setState(c);
            return free;
        }
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thread0的大致流程
首先会调用lock.lock进行加锁，加锁之后调用trip.await方法进行入队阻塞，入队是通过addConditionWaiter添加进条件等待队列，然后通过fullyRelease释放锁，设置当前线程为null，然后修改state状态值，最后调用LockSupport.park(this);进行阻塞。
在这里插入图片描述
threa1的流程大致和thread0一样，还没有达到屏障数量，入队的地方和thread0不一样

private Node addConditionWaiter() {
            Node t = lastWaiter;
            //节点取消 则移除.
            if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {
                unlinkCancelledWaiters();
                t = lastWaiter;
            }
            //创建一个节点，thread=Thread.currentThread()，waitstatus= Node.CONDITION =-2
            Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);
            //如果上一个节点为null，则将该节点设置为头节点
            if (t == null)
                firstWaiter = node;
            else
            	//thread1执行时,t已经不为null了
                t.nextWaiter = node;
                //lastWaiter指向当前
            lastWaiter = node;
            return node;
        }
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thread1流程

thread2执行的时候count已经减到0,会执行nextGeneration方法

			//每个线程执行一次,count自减一
            int index = --count;
            // count减到0，说明几个线程都到达屏障，就会重置 进入下一个屏障
            if (index == 0) {  
                boolean ranAction = false;
                try {
                    final Runnable command = barrierCommand;
                    if (command != null)
                        command.run();
                    ranAction = true;
                    //开启下一代屏障
                    nextGeneration();
                    return 0;
                } finally {
                    if (!ranAction)
                        breakBarrier();
                }
            }

 private void nextGeneration() {
        // 唤醒所有线程，唤醒操作是在同步等待队列中，所以要将条件等待队列转换为同步等待队列
        trip.signalAll();
        // 重置count
        count = parties;
        //创建下一代屏障
        generation = new Generation();
    }

public final void signalAll() {
            if (!isHeldExclusively())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            Node first = firstWaiter;
            if (first != null)
                doSignalAll(first);
        }

  private void doSignalAll(Node first) {
  			//将firstWaiter和lastWaiter都置为null，就没有首尾节点了
            lastWaiter = firstWaiter = null;
            //条件队列的出队
            do {
            //循环将条件队列转同步队列
                Node next = first.nextWaiter;
                //first的nextWaiter置为null
                first.nextWaiter = null;
                //条件队列转同步队列，因为唤醒是在同步队列中
                transferForSignal(first);
                first = next;
            } while (first != null);
        }
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条件队列的出队
在这里插入图片描述

/**
* 条件队列转同步队列
*/
 final boolean transferForSignal(Node node) {
 		//将同步状态改为0
        if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
            return false;

        Node p = enq(node);
        int ws = p.waitStatus;
        //将ws设置为-1
        if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
            LockSupport.unpark(node.thread);
        return true;
    }
    
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;
                }
            }
        }
    }

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同步队列入队
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thread2开始解锁

 private int dowait(boolean timed, long nanos){

//....
 } finally {
            lock.unlock();
        }

}

 public void unlock() {
        sync.release(1);
    }

public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
            	//唤醒线程0
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }

 private void unparkSuccessor(Node node) {
        int ws = node.waitStatus;
        if (ws < 0)
        //将ws设置为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)
        //唤醒线程0
            LockSupport.unpark(s.thread);
    }
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Thread0唤醒之后就会获取锁，执行业务逻辑然后再释放锁

 public final void await() throws InterruptedException {
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
            Node node = addConditionWaiter();
            int savedState = fullyRelease(node);
            int interruptMode = 0;
            while (!isOnSyncQueue(node)) {
                LockSupport.park(this);
                if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                    break;
            }
            // 在这里获取锁，再释放锁
            if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
                interruptMode = REINTERRUPT;
            if (node.nextWaiter != null) 
                unlinkCancelledWaiters();
            if (interruptMode != 0)
                reportInterruptAfterWait(interruptMode);
        }

//CAS尝试获取锁
final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) {
        boolean failed = true;
        try {
            boolean interrupted = false;
            for (;;) {
                final Node p = node.predecessor();
                //cas获取锁
                if (p == head && tryAcquire(arg)) {
                    setHead(node);
                    p.next = null; // help GC
                    failed = false;
                    return interrupted;
                }
                if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                    parkAndCheckInterrupt())
                    interrupted = true;
            }
        } finally {
            if (failed)
                cancelAcquire(node);
        }
    }
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同步队列就会出队
在这里插入图片描述
Thread0唤醒之后，执行业务逻辑之后会unlock，又会唤醒Thread1，Thread1唤醒之后，又会唤醒Thread2。

总结：
await方法，
前半段释放锁进入条件队列，阻塞线程(Thread0 Thread1)，
过渡阶段其他线程调用singnal/signalAll唤醒(Thread2)，条件队列转同步队列，可以在释放锁的时候唤醒head的后续节点所在的线程
后半段 (Thread0)被唤醒的线程获取锁（如果有竞争，CAS获取锁失败，还会阻塞），Thread0释放锁，唤醒同步队列中head的后续节点所在的线程（独占锁的逻辑）

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