Java中的CyclicBarrier

MOONNIFE

于 2025-06-21 17:13:59 发布

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分类专栏： Java并发编程文章标签： java 并发 CountDownLatch CyclicBarrier Lock

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📚 Java中的CyclicBarrier：多线程协同的循环屏障

🔍 一、核心概念与特性

CyclicBarrier 是Java并发包（java.util.concurrent）中的同步工具，用于协调一组线程在特定屏障点（Barrier）同步。其核心机制如下：

循环使用：屏障可重复使用，当所有线程到达屏障后，计数器自动重置，无需重新创建实例。
屏障动作：支持在所有线程到达后执行自定义任务（Runnable），由最后一个到达屏障的线程触发。
线程阻塞：调用 await() 的线程会被阻塞，直到所有线程都到达屏障点才继续执行。

与CountDownLatch的区别：

特性	CyclicBarrier	CountDownLatch
重用性	✅ 可重置复用	❌ 一次性
等待方向	线程互相等待	主线程等待子线程
屏障动作	✅ 支持	❌ 不支持
计数方式	加计数（达到阈值释放）	减计数（归零释放）

⚙️ 二、实现原理：基于AQS与ReentrantLock

CyclicBarrier底层依赖 ReentrantLock 和 Condition 实现同步，核心逻辑在 dowait() 方法中：

锁与条件队列：
- 使用 ReentrantLock 保证线程安全。
- 通过 Condition trip 管理等待队列，线程调用 await() 后进入条件队列阻塞。
计数器与代（Generation）：
- int count：记录未到达屏障的线程数，每调用一次 await() 减1。
- Generation：标识当前屏障的代，支持重置操作。若屏障被破坏（如线程中断），则抛出 BrokenBarrierException。
屏障触发流程：
- 当 count 减为0时，执行预设的 Runnable barrierCommand。
- 调用 nextGeneration()：唤醒所有等待线程，重置计数器，创建新 Generation 对象。

🧩 三、常用场景与用法

1. 多阶段并行计算

场景：大型数据分片处理（如日志分析），需所有分片处理完成后再汇总。

// 分片任务完成后同步汇总
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(4, () -> System.out.println("所有分片处理完成，开始汇总！"));
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(4);
for (int i = 0; i < 4; i++) {
    executor.submit(() -> {
        processDataShard(); // 处理数据分片
        barrier.await();    // 等待其他分片
    });
}

2. 并发测试同步

场景：单元测试中确保多个线程同时执行某个操作。

@Test
public void testConcurrentOperation() throws Exception {
    CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5); // 5个测试线程
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        new Thread(() -> {
            barrier.await();  // 等待所有线程就绪
            executeTestLogic(); // 执行测试逻辑
        }).start();
    }
}

3. 分布式任务协调

场景：微服务中多个服务需同步状态后再进入下一阶段（如批量任务调度）。

// 微服务节点同步状态
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, () -> sendNextPhaseSignal());
serviceA.execute(() -> {
    updateServiceAState();
    barrier.await();
});
serviceB.execute(() -> {
    updateServiceBState();
    barrier.await();
});

🏢 四、企业级应用实例

✅ 案例1：电商库存对账系统

需求：每日凌晨需并行执行三个任务：
① 订单流水统计；
② 库存变动核对；
③ 操作日志分析。
三者全部完成后，才能生成对账报告。

实现：

public class ReconciliationService {
    private CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, this::generateReport);

    public void dailyReconciliation() {
        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
        executor.submit(() -> { checkOrders(); barrier.await(); });
        executor.submit(() -> { checkInventory(); barrier.await(); });
        executor.submit(() -> { analyzeLogs(); barrier.await(); });
    }

    private void generateReport() {
        System.out.println("对账完成，生成报告并发送");
    }
}

优势：

并行执行三个任务，缩短总耗时；
自动触发报告生成，避免手动协调。

✅ 案例2：微服务批量任务调度

需求：在分布式系统中，多个微服务节点需同时完成数据加载，然后通知网关开放流量。

实现：

public class BatchTaskScheduler {
    private CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(nodeCount, gateway::openTraffic);

    public void startBatchTasks(List<Node> nodes) {
        nodes.forEach(node -> 
            node.executeTask(() -> {
                loadDataFromDB();
                barrier.await(); // 等待其他节点
            })
        );
    }
}

优势：

确保所有节点就绪后才开放流量，避免数据不一致；
支持多轮任务调度（如每小时执行一次）。

⚠️ 五、注意事项

超时控制：
使用 await(long timeout, TimeUnit unit) 避免线程永久阻塞，超时抛出 TimeoutException。
异常处理：
- 若线程在等待中被中断，抛出 InterruptedException；
- 若屏障被重置或损坏，抛出 BrokenBarrierException。
重置屏障：
调用 reset() 会强制中断所有等待线程，并重置屏障状态，需谨慎使用。