线程屏障CyclicBarrier实现原理
生产环境中,存在需要等待多个线程都达到某种状态后,才继续运行的情景。并发工具CyclicBarrier就能够完成这种功能。本篇从源码方面,简要分析CyclicBarrier的实现原理。
使用示例
public class CyclicBarrierTest {
public static void main(String[] args) {
//屏障,阻拦3个线程
CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(); new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("线程1正在执行");
try {
// 等待
cyclicBarrier.await();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("线程1运行结束,时间: " + System.currentTimeMillis());
}
}).start(); new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("线程2正在执行");
try {
// 等待
cyclicBarrier.await();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("线程2运行结束,时间: " + System.currentTimeMillis());
}
}).start(); new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("线程3正在执行");
try {
//线程3阻塞2秒,测试效果
Thread.sleep();
// 等待
cyclicBarrier.await();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("线程3运行结束,时间: " + System.currentTimeMillis());
}
}).start(); }
}
执行结果如下:
线程1正在执行
线程2正在执行
线程3正在执行
线程1运行结束,时间:
线程3运行结束,时间:
线程2运行结束,时间:
可以看到线程1,2,3在同一个时间结束。
源码分析
主要成员:
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); private final Condition trip = lock.newCondition(); private int count;
CyclicBarrier主要借助重入锁ReentrantLock和Condition实现。count初始值等于CyclicBarrier实例化指明的等待线程数量,用于等待线程计数。
主要方法await()
public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
try {
return dowait(false, 0L);
} catch (TimeoutException toe) {
throw new Error(toe); // cannot happen
}
}
private int dowait(boolean timed, long nanos)
throws InterruptedException, BrokenBarrierException,
TimeoutException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock(); // 1
try {
final Generation g = generation; if (g.broken)
throw new BrokenBarrierException(); if (Thread.interrupted()) {
breakBarrier();
throw new InterruptedException();
} int index = --count; // 2
if (index == ) { // 3
boolean ranAction = false;
try {
final Runnable command = barrierCommand;
if (command != null)
command.run();
ranAction = true;
nextGeneration(); // 4
return ;
} finally {
if (!ranAction)
breakBarrier(); // 5
}
} // loop until tripped, broken, interrupted, or timed out
for (;;) {
try {
if (!timed)
trip.await(); // 6
else if (nanos > 0L)
nanos = trip.awaitNanos(nanos);
} catch (InterruptedException ie) {
if (g == generation && ! g.broken) {
breakBarrier();
throw ie;
} else {
// We're about to finish waiting even if we had not
// been interrupted, so this interrupt is deemed to
// "belong" to subsequent execution.
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(); // 7
}
}
- 对当前对象加锁
- 每个线程获得锁,执行这部分代码时,都把count - 1,记做index
- 如果index为0,执行第4步,代表CyclicBarrier屏障已经拦截了足够数量(count)的线程,线程可以接着往下执行了。不为0,说明当前线程还没有达到屏障CyclicBarrier拦截的数量,执行第6步
- 调用nextGeneration()方法,唤醒所有等待线程
- breakBarrier()确保一定能执行唤醒动作
- 调用Condition的await()方法,将当前线程放入等待队列,释放锁
- 一定执行的释放锁动作。
nextGeneration()的代码如下:
private void nextGeneration() {
// signal completion of last generation
trip.signalAll();
// set up next generation
count = parties;
generation = new Generation();
}
使用Condition的signalAll()方法,唤醒全部等待线程
说完CyclicBarrier的原理之后,再对本篇的使用示例做一下描述:
- 线程1开始执行,调用await()方法,获得锁。此时count为3,count--,故count为2,index为2,调用Condition.await()方法,线程1进入等待队列,释放锁
- 线程2开始执行,过程与第一步相同,只是count减为1
- 线程3开始执行,获得锁,count减为0,达到拦截数量,调用nextGeneration()方法唤醒全部线程,释放自己持有的锁
- 线程1,2都被唤醒,根据锁竞争结果,依次执行完await()方法,最后释放锁
- 3个线程再往下执行自己的run()方法
异常分析:
假设调用cyclicBarrier.await()进行等待的线程数大于屏障CyclicBarrier实例化时声明的拦截数,会发生什么情况呢?
例如如下代码:
public static void main(String[] args) {
//屏障,阻拦3个线程
CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(); new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("线程1正在执行");
try {
// 等待
cyclicBarrier.await();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("线程1运行结束,时间: " + System.currentTimeMillis());
}
}).start(); new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("线程2正在执行");
try {
// 等待
cyclicBarrier.await();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("线程2运行结束,时间: " + System.currentTimeMillis());
}
}).start(); new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("线程3正在执行");
try {
//线程3阻塞2秒,测试效果
// Thread.sleep(2000);
// 等待
cyclicBarrier.await();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("线程3运行结束,时间: " + System.currentTimeMillis());
}
}).start(); new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("线程4正在执行");
try {
// 等待
cyclicBarrier.await();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("线程4运行结束,时间: " + System.currentTimeMillis());
}
}).start();
}
调用cyclicBarrier.await()方法等待的线程一共4个,CyclicBarrier声明只拦截3个。
上述用例将导致一个线程得不到执行,处于等待状态。
分析一下原因:
在CyclicBarrier的dowait()方法215行(JDK1.8)中,只有在index == 0,也就是CyclicBarrier拦截到了实例化时指明的线程数量时,才会调用Condition.signalAll()唤醒等待线程。所以在第4个线程进入此方法时,index减为-1,会调用Condition.await()开始等待。这样就没有线程能执行唤醒逻辑了,它将一直处于等待状态。
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