CyclicBarrier原理剖析

简介: CyclicBarrier原理剖析

1. 简介


简单描述CyclicBarrier的功能,那就是


它允许一组线程互相等待,直到到达某个公共屏障点 (Common Barrier Point)。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 Barrier 在释放等待线程后可以重用,所以称它为循环( Cyclic ) 的 屏障( Barrier )


2. 实现原理


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  • 借助ReentrantLockCondition作为线程间通信机制
  • 等到所有parties参与线程都到达阻塞屏障,会唤醒所有parties参与线程(会优先执行barrierAction线程),到达数不足parties则所有线程需要阻塞等待


3. 源码结构


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  • parties 变量,表示拦截线程的总数量。
  • count 变量,表示拦截线程的剩余需要数量。
  • barrierAction 变量,为 CyclicBarrier 接收的 Runnable 命令,用于在线程到达屏障时,优先执行
    barrierAction ,用于处理更加复杂的业务场景
  • generation 变量,表示 CyclicBarrier 的更新换代


4. 源码剖析


4.1 await方法


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  • 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。当所有线程都到达了屏障,结束阻塞,所有线程可继续执行后续逻辑
  • 内部调用 dowait(boolean timed, long nanos) 方法,执行阻塞等待( timed=true )


4.2 解除阻塞情况


如果该线程不是到达的最后一个线程,则他会一直处于等待状态,除非发生以下情况:


  • 最后一个线程到达,即 index == 0 。
  • 超出了指定时间(超时等待)。
  • 其他的某个线程中断当前线程。
  • 其他的某个线程中断另一个等待的线程。
  • 其他的某个线程在等待 barrier 超时。
  • 其他的某个线程在此 barrier 调用 reset() 方法。reset() 方法,用于将屏障重置为初始状态


4.3 BrokenBarrierException异常情况


  • 如果一个线程处于等待状态时,如果其他线程调用 reset() 方法
  • 调用的 barrier 原本就是被损坏的,则抛出BrokenBarrierException异常
  • 任何线程在等待时被中断了,则其他所有线程都将抛出BrokenBarrierException异常,并将 barrier 置于损坏状态


4.4 Generation


Generation 是 CyclicBarrier 内部静态类,描述了 CyclicBarrier 的更新换代。在CyclicBarrier中,同一批线程属于同一代。当有 parties 个线程全部到达 barrier 时,generation 就会被更新换代。其中 broken 属性,标识该当前 CyclicBarrier 是否已经处于中断状态。


4.5 breakBarrier


private void breakBarrier() {

   generation.broken = true;//设置为中断状态

   count = parties;//重置已到达屏障数量

   trip.signalAll();//唤醒全部等待线程

}


在 breakBarrier() 方法中,中除了将 broken设置为 true ,还会调用 #signalAll() 方法,将在 CyclicBarrier 处于等待状态的线程全部唤醒


4.6 nextGeneration


private void nextGeneration() {

   trip.signalAll();

   count = parties;

   generation = new Generation();

}


当所有线程都已经到达 barrier 处(index == 0),则会通过 nextGeneration() 方法,进行更新换代操作。在这个步骤中,做了三件事:


  • 唤醒所有线程。
  • 重置 count
  • 重置 generation


4.7 reset


public void reset() {

   final ReentrantLock lock = this.lock;

   lock.lock();

   try {

       breakBarrier();   // 屏障中断

       nextGeneration(); // 重置年代

   } finally {

       lock.unlock();

   }

}


重置 barrier 到初始化状态,通过组合 breakBarrier()nextGeneration() 方法来实现


4.8 getNumberWaiting


public int getNumberWaiting() {

   final ReentrantLock lock = this.lock;

   lock.lock();

   try {

       return parties - count;

   } finally {

       lock.unlock();

   }

}


5. 实战用例


汽车准乘人数有限,模拟两个旅行团乘客上车


/**

* created by guanjian on 2020/12/28 17:57

*/

public class CyclicBarrierTest {


   private final static int nums = 5;


   private final static CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(nums, () -> {

       System.out.println("执行");

   });


   public static void main(String[] args) {

       IntStream.range(0, nums).forEach(x -> {

           new Thread(()->{

               try {

                   System.out.println("阻塞等待");

                   cyclicBarrier.await(6000, TimeUnit.MILLISECONDS);

                   System.out.println("满足条件执行");

               } catch (Exception e) {

                   e.printStackTrace();

               }

           }).start();


           try {

               Thread.sleep(1000);

           } catch (InterruptedException e) {

               e.printStackTrace();

           }

       });

   }

}

【控制台输出】

阻塞等待

阻塞等待

阻塞等待

阻塞等待

阻塞等待

执行 //===屏障全部到达后,BarrierAction先执行===

满足条件执行

满足条件执行

满足条件执行

满足条件执行

满足条件执行


6. 总结


  • 实现本质是通过ReentrantLock + Condition进行线程间通信
  • 本地模拟并发可以选择CyclicBarrier触发,比Jmeter更容易编码操控


7. 参考


http://www.iocoder.cn/JUC/sike/CyclicBarrier/

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