【JAVA】JUC之CyclicBarrier源码解析以及示例

前言

在多线程编程中，同步工具是确保线程之间协同工作的重要组成部分。

CyclicBarrier（循环屏障）是Java中的一个强大的同步工具，它允许一组线程在达到某个共同点之前互相等待。

在本文中，我们将深入探讨CyclicBarrier的源码实现以及提供一些示例，以帮助您更好地理解和应用这个有趣的同步工具。

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CyclicBarrier源码解析以及示例

主要成员变量

public class CyclicBarrier {
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition trip = lock.newCondition();
    private final int parties;
    private int count;
    private final Runnable barrierCommand;
}

• lock: 用于控制并发访问的重入锁。
• trip: 条件变量，用于在屏障点上等待。
• parties: 表示需要等待的线程数。
• count: 表示当前已经到达屏障点的线程数。
• barrierCommand: 在所有线程到达屏障点之后执行的命令，可以为null。

核心方法

await方法

public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
    try {
        lock.lock();
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        int index = --count;
        if (index == 0) { // 如果是最后一个到达的线程
            boolean ranAction = false;
            try {
                final Runnable command = barrierCommand;
                if (command != null)
                    command.run();
                ranAction = true;
                return 0;
            } finally {
                if (!ranAction)
                    breakBarrier(); // 执行失败，重置屏障状态
            }
        }
        while (index > 0) {
            try {
                trip.await();
            } catch (InterruptedException ie) {
                if (index == 1 && !broken)
                    breakBarrier();
                throw ie;
            }
        }
        if (broken)
            throw new BrokenBarrierException();
        return index;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}
​

上述代码主要完成以下几个任务：

1. 减小计数器，表示有一个线程到达了屏障点。
2. 如果是最后一个到达的线程，执行屏障命令（如果有），然后唤醒所有等待的线程。
3. 如果不是最后一个到达的线程，进入等待状态，直到被唤醒。
4. 处理中断异常和屏障破坏异常。

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应用场景

任务分解与合并

当一个大任务可以分解为多个子任务，每个子任务独立执行，但在某个点上需要等待所有子任务完成后再继续执行父任务。CyclicBarrier可以用来同步这些子任务的执行，确保它们在特定的屏障点上等待，然后一起继续执行。

应用示例

假设我们有一个大型的数据处理任务，需要将数据分解为若干子任务并行处理，然后在所有子任务完成后进行结果的合并。CyclicBarrier 可以用来同步子任务的执行，确保在所有子任务都完成后再进行合并操作。

import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
​
public class TaskDecompositionAndMergeExample {
​
    private static final int NUM_SUBTASKS = 3;
    private static final CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(NUM_SUBTASKS, () -> {
        System.out.println("All subtasks have been completed. Merging results...");
    });
​
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < NUM_SUBTASKS; i++) {
            final int subtaskId = i;
            new Thread(() -> {
                // Perform individual subtask
                System.out.println("Subtask " + subtaskId + " is processing.");
​
                // Simulate some computation for the subtask
                try {
                    Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
​
                System.out.println("Subtask " + subtaskId + " has completed.");
​
                try {
                    // Wait for all subtasks to complete
                    barrier.await();
                } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
    }
}
​

并行计算

在并行计算中，当多个计算节点完成局部计算后，需要将它们的结果合并。CyclicBarrier可以用来等待所有计算节点完成局部计算，然后执行合并操作。

应用示例

import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
​
public class ParallelComputingExample {
​
    private static final int NUM_THREADS = 4;
    private static final CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(NUM_THREADS, () -> {
        System.out.println("All threads have completed the computation. Merging results...");
    });
​
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
            final int threadId = i;
            new Thread(() -> {
                // Perform individual computation
                System.out.println("Thread " + threadId + " is performing computation.");
​
                // Simulate some computation for the thread
                try {
                    Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
​
                System.out.println("Thread " + threadId + " has completed computation.");
​
                try {
                    // Wait for all threads to complete computation
                    barrier.await();
                } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
    }
}
​

游戏开发

在多线程游戏开发中，可能存在多个线程分别负责不同的任务，比如渲染、物理模拟、AI计算等。

在每一帧结束时，这些线程需要同步，确保下一帧开始时所有任务都已完成。CyclicBarrier可以在每一帧结束时等待所有任务完成，然后统一开始下一帧的计算。

比如我们在打匹配游戏的时候，十个人必须全部加载到100%，才可以开局。否则只要有一个人没有加载到100%,那这个游戏就不能开始。先加载完成的玩家必须等待最后一个玩家加载成功才可以。

应用示例

public class CyclicBarrierDemo {
    private static CyclicBarrier cyclicBarrier;
​
    static class CyclicBarrierThread extends Thread{
​
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("玩家 " + Thread.currentThread().getName() + " 加载100%");
            //等待
            try {
                cyclicBarrier.await();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
​
    public static void main(String[] args){
        cyclicBarrier = new CyclicBarrier(10, new Runnable() {
            public void run() {
                System.out.println("玩家都加载好了，开始游戏....");
            }
        });
​
        for(int i = 0 ; i < 10 ; i++){
            new CyclicBarrierThread().start();
        }
    }
}

输出结果

玩家 Thread-0 加载100%
玩家 Thread-2 加载100%
玩家 Thread-3 加载100%
玩家 Thread-6 加载100%
玩家 Thread-1 加载100%
玩家 Thread-4 加载100%
玩家 Thread-5 加载100%
玩家 Thread-8 加载100%
玩家 Thread-7 加载100%
玩家 Thread-9 加载100%
玩家都加载好了，开始游戏....

数据加载

在某些应用中，可能需要同时加载多个数据源，但要确保所有数据加载完成后再继续执行。CyclicBarrier可以用来等待所有数据加载完成，然后执行后续操作。

应用示例

import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
​
public class DataLoaderExample {
​
    private static final int NUM_THREADS = 3;
    private static final CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(NUM_THREADS, () -> {
        System.out.println("All data loading threads have completed. Initiating further processing...");
    });
​
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
            final int threadId = i;
            new Thread(() -> {
                // Simulate data loading
                System.out.println("Thread " + threadId + " is loading data.");
​
                // Simulate data loading time
                try {
                    Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
​
                System.out.println("Thread " + threadId + " has completed data loading.");
​
                try {
                    // Wait for all data loading threads to complete
                    barrier.await();
                } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
​
                // Perform further processing after data loading is complete
                System.out.println("Thread " + threadId + " is performing further processing.");
            }).start();
        }
    }
}
​

并发工具的协同

CyclicBarrier可以与其他并发工具一起使用，例如 ExecutorService 和 CountDownLatch，以实现更复杂的多线程控制逻辑。

应用示例

import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
​
public class CyclicBarrierExample {
​
    private static final int NUM_THREADS = 3;
    private static final CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(NUM_THREADS, () -> {
        System.out.println("All threads have reached the barrier. Let's continue!");
    });
​
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    // Perform individual tasks
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is performing individual tasks.");
​
                    // Wait for all threads to reach the barrier
                    barrier.await();
​
                    // Continue with collective tasks after reaching the barrier
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is performing collective tasks.");
                } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
    }
}
​

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CyclicBarrier和CountDownLatch的区别

循环性：

• CyclicBarrier 具有循环的特性，可以被重复使用。一旦所有线程都到达屏障点，它会自动重置并再次等待下一轮。这使得 CyclicBarrier 更适合用于一组线程多次协同工作的场景。
• CountDownLatch 是一次性的，一旦计数到达零，就无法重新设置。如果需要多次等待，就需要创建新的 CountDownLatch 实例。

计数器的变化：

• 在 CyclicBarrier 中，计数器的递减是由到达屏障点的线程执行的，而且在所有线程都到达之前，任何线程都不会继续执行。
• 在 CountDownLatch 中，计数器的递减是由任意线程执行的，而且线程在递减计数器后可以继续执行，不必等待其他线程。

用途：

• CyclicBarrier 通常用于一组线程并行执行任务，然后在某个点上等待彼此，然后再一起继续执行下一轮任务。例如，任务分解与合并、并行计算等场景。
• CountDownLatch 用于等待一组线程完成某个任务后再执行其他任务。例如，主线程等待所有工作线程完成工作后再继续执行。

构造函数参数：

• CyclicBarrier 的构造函数需要指定参与同步的线程数，以及在屏障点上执行的可选操作（Runnable）。
• CountDownLatch 的构造函数需要指定计数的初始值。

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总结

通过本文，我们深入了解了CyclicBarrier的源码实现，并通过一个简单的示例演示了它的用法。

CyclicBarrier是一个强大的同步工具，可以帮助我们实现复杂的多线程协同任务。

在多线程编程中，理解和熟练使用这样的同步工具是至关重要的，能够确保线程之间的协同工作更加高效和可靠。

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写在最后

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