CyclicBarrier-优快云博客

本文深入探讨了Java集合包中的CyclicBarrier类，详细解释了它的用途、工作原理及如何在并行处理中实现高效同步。重点阐述了CyclicBarrier如何在一组线程间建立循环等待屏障，确保所有线程在特定点同步执行任务。

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java.util.concurrent.CyclicBarrier是一个同步辅助类，它允许一组线程互相等待，直到所有到达，然后他们才可以跨越屏障点(commonbarrierpoint)。 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，所以称它为循环的barrier。 CyclicBarrier支持一个可选的Runnable 对象参数，在一组线程中的最后一个线程到达之后执行它（但在释放所有线程之前）， 该命令只在每个屏障点运行一次。若在继续所有参与线程之前更新共享状态，此屏障操作很有用。 注意1:CyclicBarrier支持一个可选的Runnable，在一组线程中的最后一个线程到达之后（但在释放所有线程之前）执行Runnable 示例用法：下面是一个在并行分解设计中使用barrier的例子： <pre class="prettyprint" style="line-height:inherit; padding-top:10px; padding-right:10px; padding-bottom:10px; padding-left:10px; border-top-width:1px; border-right-width:1px; border-bottom-width:1px; border-left-width:1px; border-top-style:solid; border-right-style:solid; border-bottom-style:solid; border-left-style:solid; border-top-color:rgb(204,204,204); border-right-color:rgb(204,204,204); border-bottom-color:rgb(204,204,204); border-left-color:rgb(204,204,204); color:rgb(0,112,0); font-family:monospace; background-color:rgb(250,250,250); margin-top:0px; margin-bottom:1em; margin-left:1em; overflow-x:auto; overflow-y:auto">class Solver { final int N; final float[][] data; final CyclicBarrier barrier; class Worker implements Runnable { int myRow; Worker(int row) { myRow = row; } public void run() { while (!done()) { processRow(myRow); try { barrier.await(); } catch (InterruptedException ex) { return; } catch (BrokenBarrierException ex) { return; } } } } public Solver(float[][] matrix) { data = matrix; N = matrix.length; barrier = new CyclicBarrier(N, new Runnable() { public void run() { mergeRows(...); } }); for (int i = 0; i < N; ++i) new Thread(new Worker(i)).start(); waitUntilDone(); } }</pre> 在这个例子中，每个worker线程处理矩阵的一行，在处理完所有的行之前，该线程将一直在屏障处等待。 处理完所有的行之后，将执行所提供的Runnable屏障操作，并合并这些行。 如果合并者确定已经找到了一个解决方案，那么done()将返回true，所有的worker线程都将终止。 注意1:这个例子感觉不怎么好。done()和waitUntilDone()对阅读代码干扰很大。 如果屏障操作在执行时不依赖于正挂起的线程，则线程组中的任何线程在获得释放时都能执行该操作。 为方便此操作，每次调用await()都将返回能到达屏障处的线程的序列号。然后，您可以选择哪个线程应该执行屏障操作，例如： <pre class="prettyprint" style="line-height:inherit; padding-top:10px; padding-right:10px; padding-bottom:10px; padding-left:10px; border-top-width:1px; border-right-width:1px; border-bottom-width:1px; border-left-width:1px; border-top-style:solid; border-right-style:solid; border-bottom-style:solid; border-left-style:solid; border-top-color:rgb(204,204,204); border-right-color:rgb(204,204,204); border-bottom-color:rgb(204,204,204); border-left-color:rgb(204,204,204); color:rgb(0,112,0); font-family:monospace; background-color:rgb(250,250,250); margin-top:0px; margin-bottom:1em; margin-left:1em; overflow-x:auto; overflow-y:auto">if (barrier.await() == 0) { // log the completion of this iteration }</pre> 注意：barrier.await()==barrier.getParties()-1表示是第一个到达的线程，barrier.await()==0表示这是最后一个到达的线程，当然此时它已经跨过了屏障。至于线程是第几个跨越障碍的线程，这个不清楚，应该和线程的调度有关。 可以参照实例1。 对于失败的同步尝试，CyclicBarrier使用了一种要么全部要么全不(all-or-none)的破坏模式： 如果因为中断、失败或者超时等原因，导致线程过早地离开了屏障点， 那么在该屏障点等待的其他所有线程也将通过BrokenBarrierException（如果它们几乎同时被中断，则用InterruptedException）以反常的方式离开。 注意：如果因为中断、失败或者超时等原因，导致线程跨过了屏障点，那么其他线程将过BrokenBarrierException的方式跨过。（如果它们几乎同时被中断，则用InterruptedException） <div style="line-height:25px"> Memory consistency effects: Actions in a thread prior to calling<code style="line-height:1em; color:rgb(0,112,0); font-family:monospace">await()</code><a rel="nofollow" href="http://developer.android.com/reference/java/util/concurrent/package-summary.html#MemoryVisibility" style="color:rgb(0,102,153); line-height:23px; text-decoration:none">happen-before</a>actions that are part of the barrier action, which in turnhappen-beforeactions following a successful return from the corresponding<code style="line-height:1em; color:rgb(0,112,0); font-family:monospace">await()</code>in other threads. await()一定比在它之前的代码被执行，await()一定比它之后的代码先被执行;await()之前的代码一定比Runnable barrierAction先被执行，Runnable barrierAction一定比await()之后的代码先被执行</div> <div style="line-height:25px"> 主要方法 publicCyclicBarrier(intparties, RunnablebarrierAction) 创建一个新的CyclicBarrier，它将在给定数量的参与者（线程）处于等待状态时启动，并在启动barrier时执行给定的屏障操作，该操作由最后一个进入barrier的线程执行。 参数： parties-在启动barrier前必须调用await()的线程数 barrierAction-在启动barrier时执行的命令；如果不执行任何操作，则该参数为null 抛出： IllegalArgumentException-如果parties小于1 publicCyclicBarrier(intparties, RunnablebarrierAction) 创建一个新的CyclicBarrier，它将在给定数量的参与者（线程）处于等待状态时启动，并在启动barrier时执行给定的屏障操作，该操作由最后一个进入barrier的线程执行。 参数： parties-在启动barrier前必须调用await()的线程数 barrierAction-在启动barrier时执行的命令；如果不执行任何操作，则该参数为null 抛出： IllegalArgumentException-如果parties小于1 publicintgetParties() 返回要求启动此barrier的参与者数目。 返回： 要求启动此barrier的参与者数目 publicintawait() throwsInterruptedException, BrokenBarrierException 在所有参与者都已经在此barrier上调用await方法之前，将一直等待。 如果当前线程不是将到达的最后一个线程，出于调度目的，将禁用它，且在发生以下情况之一前，该线程将一直处于休眠状态： *最后一个线程到达；或者 *其他某个线程中断当前线程；或者 *其他某个线程中断另一个等待线程；或者 *其他某个线程在等待barrier时超时；或者 *其他某个线程在此barrier上调用reset()。 如果当前线程： *在进入此方法时已经设置了该线程的中断状态；或者 *在等待时被中断 则抛出InterruptedException，并且清除当前线程的已中断状态。 如果在线程处于等待状态时barrier被reset()，或者在调用await时barrier被损坏，抑或任意一个线程正处于等待状态， 则抛出BrokenBarrierException异常。 如果任何线程在等待时被中断，则其他所有等待线程都将抛出BrokenBarrierException异常，并将barrier置于损坏状态。 如果当前线程是最后一个将要到达的线程，并且构造方法中提供了一个非空的屏障操作，则在允许其他线程继续运行之前， 当前线程将运行该操作。如果在执行屏障操作过程中发生异常，则该异常将传播到当前线程中，并将barrier置于损坏状态。 返回： 到达的当前线程的序列号，其中，getParties()-1指示将到达的第一个线程，零指示最后一个到达的线程 抛出： InterruptedException-如果当前线程在等待时被中断 BrokenBarrierException-如果另一个线程在当前线程等待时被中断或超时，或者重置了barrier， 或者在调用await时barrier被损坏，抑或由于异常而导致屏障操作（如果存在）失败。 注意1:返回是"到达的当前线程的序列号"，但是本质表示在当前线程到达时，还需要await几个线程。 barrier.await()==barrier.getParties()-1表示是第一个到达的线程，barrier.await()==0表示这是最后一个到达的线程，当然此时它已经跨过了屏障。至于线程是第几个跨越障碍的线程，这个不清楚，应该和线程的调度有关。 </div> <div style="line-height:25px"> 注意2:"如果当前线程不是将到达的最后一个线程，出于调度目的，将禁用它。"这里的禁用应该是指不分配时间片段给它吧。 publicintawait(longtimeout, TimeUnitunit) throwsInterruptedException, BrokenBarrierException, TimeoutException 在所有参与者都已经在此屏障上调用await方法之前将一直等待,或者超出了指定的等待时间。 如果当前线程不是将到达的最后一个线程，出于调度目的，将禁用它，且在发生以下情况之一前，该线程将一直处于休眠状态： *最后一个线程到达；或者 *超出指定的超时时间；或者 *其他某个线程中断当前线程；或者 *其他某个线程中断另一个等待线程；或者 *其他某个线程在等待barrier时超时；或者 *其他某个线程在此barrier上调用reset()。 如果当前线程： *在进入此方法时已经设置了该线程的中断状态；或者 *在等待时被中断 则抛出InterruptedException，并且清除当前线程的已中断状态。 如果超出指定的等待时间，则抛出TimeoutException异常。如果该时间小于等于零，则此方法根本不会等待。 如果在线程处于等待状态时barrier被reset()，或者在调用await时barrier被损坏， 抑或任意一个线程正处于等待状态，则抛出BrokenBarrierException异常。 如果任何线程在等待时被中断，则其他所有等待线程都将抛出BrokenBarrierException，并将屏障置于损坏状态。 如果当前线程是最后一个将要到达的线程，并且构造方法中提供了一个非空的屏障操作， 则在允许其他线程继续运行之前，当前线程将运行该操作。如果在执行屏障操作过程中发生异常， 则该异常将传播到当前线程中，并将barrier置于损坏状态。 参数： timeout-等待barrier的时间 unit-超时参数的时间单位 返回： 到达的当前线程的索引，其中，索引getParties()-1指示第一个将要到达的线程，零指示最后一个到达的线程 抛出： InterruptedException-如果当前线程在等待时被中断 TimeoutException-如果超出了指定的超时时间 BrokenBarrierException-如果另一个线程在当前线程等待时被中断或超时，或者重置了barrier， 或者调用await时barrier被损坏，抑或由于异常而导致屏障操作（如果存在）失败。 publicbooleanisBroken() 查询此屏障是否处于损坏状态。 返回： 如果因为构造或最后一次重置而导致中断或超时，从而使一个或多个参与者摆脱此barrier， 或者因为异常而导致某个屏障操作失败，则返回true；否则返回false。 publicvoidreset() 将屏障重置为其初始状态。如果所有参与者目前都在屏障处等待，则它们将返回， 同时抛出一个BrokenBarrierException。 注意，在由于其他原因造成损坏之后，实行重置可能会变得很复杂；此时需要使用其他方式重新同步线程，并选择其中一个线程来执行重置。 与为后续使用创建一个新barrier相比，这种方法可能更好一些。 publicintgetNumberWaiting() 返回当前在屏障处等待的参与者数目。此方法主要用于调试和断言。 返回： 当前阻塞在await()中的参与者数目。 实例1 importjava.util.concurrent.BrokenBarrierException; importjava.util.concurrent.CyclicBarrier; publicclassCyclicBarrierDemo{ CyclicBarrierDemo() { intnumber=5; CyclicBarrierbarrier=newCyclicBarrier(number); try{ for(inti=0;i<number;i++) { newCyclicBarrierDemoThread("thread"+i,barrier).start(); Thread.sleep(100); } }catch(InterruptedExceptione) { e.printStackTrace(); } } } classCyclicBarrierDemoThreadextendsThread { privateCyclicBarrierbarrier; CyclicBarrierDemoThread(Stringname,CyclicBarrierbarrier) { super(name); this.barrier=barrier; } publicvoidrun() { try{ System.out.println(getName()+"hasarrived"); intval=barrier.await(); System.out.println(getName()+"hascrossdthebarrier"+val); }catch(InterruptedExceptione) { e.printStackTrace(); } catch(BrokenBarrierExceptione) { e.printStackTrace(); } } } 运行结果 thread0hasarrived thread1hasarrived thread2hasarrived thread3hasarrived thread4hasarrived thread0hascrossdthebarrier4 thread1hascrossdthebarrier3 thread4hascrossdthebarrier0 thread3hascrossdthebarrier1 </div>