Java中的Phaser

最新推荐文章于 2025-07-08 07:26:12 发布

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#java #CountDownLatch #CyclicBarrier #Phaser #并发 #锁

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Phaser 是 Java 并发包（java.util.concurrent）中的一种多阶段同步工具，专为协调多个线程分阶段执行任务而设计。它结合了 CyclicBarrier 和 CountDownLatch 的功能，并支持动态调整参与者数量、多阶段同步等高级特性。以下是其全面解析：

🔧 一、基本原理

1. 核心机制

多阶段同步
Phaser 将任务划分为多个阶段（Phase），每个阶段结束时所有线程需同步，之后才能进入下一阶段。阶段号从 0 开始递增，直至终止。
动态参与者管理
线程可通过 register() 动态注册为参与者，或通过 arriveAndDeregister() 注销，无需在初始化时固定线程数量。
状态维护
内部使用 AtomicLong 存储状态，包含：
- 当前阶段号（高 32 位）
- 已注册参与者数（中 16 位）
- 未到达参与者数（低 16 位）。

2. 关键操作

到达与等待
arriveAndAwaitAdvance()：线程完成任务后等待其他参与者到达，全部到达后自动推进阶段。
终止条件
重写 onAdvance(int phase, int parties) 可自定义阶段结束行为（如数据汇总）。返回 true 时 Phaser 终止。

🛠️ 二、核心特性

特性	说明
多阶段同步	支持无限阶段循环，每个阶段需所有线程到达屏障点。
动态线程管理	运行时增减参与者，适用线程数量不确定的场景。
可重用性	阶段自动重置，无需手动重置（如 `CyclicBarrier`）。
分层结构	支持父子 Phaser 树，用于分布式任务协调。

💻 三、使用方法与代码示例

1. 基础用法：三阶段任务同步

import java.util.concurrent.Phaser;

public class PhaserDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Phaser phaser = new Phaser(3); // 初始注册3个参与者
        
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(() -> {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 完成阶段1");
                phaser.arriveAndAwaitAdvance(); // 同步点1

                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 完成阶段2");
                phaser.arriveAndAwaitAdvance(); // 同步点2

                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 完成阶段3");
                phaser.arriveAndDeregister(); // 注销并推进
            }).start();
        }
    }
}

输出：

Thread-0 完成阶段1  
Thread-1 完成阶段1  
Thread-2 完成阶段1  
Thread-0 完成阶段2  
Thread-1 完成阶段2  
Thread-2 完成阶段2  
...

说明：所有线程需在每个阶段同步后才能继续。

2. 动态任务注册：批量数据处理

class BatchProcessor implements Runnable {
    private final Phaser phaser;
    private final List<String> data;
    
    BatchProcessor(Phaser phaser, List<String> data) {
        this.phaser = phaser;
        this.data = data;
        phaser.register(); // 动态注册新参与者
    }

    @Override
    public void run() {
        while (!data.isEmpty()) {
            processBatch(data.subList(0, Math.min(10, data.size())));
            phaser.arriveAndAwaitAdvance(); // 等待其他批次完成
        }
        phaser.arriveAndDeregister(); // 处理完毕，注销
    }
    
    private void processBatch(List<String> batch) {
        // 处理数据...
    }
}

适用场景：数据分批次处理，线程数随任务动态调整。

3. 自定义阶段回调

Phaser phaser = new Phaser(3) {
    @Override
    protected boolean onAdvance(int phase, int parties) {
        System.out.println("阶段 " + phase + " 完成，参与线程数: " + parties);
        return phase >= 2; // 执行3个阶段后终止
    }
};

说明：每个阶段结束时触发自定义逻辑（如日志、资源释放）。

⚖️ 四、优缺点分析

维度	优点	缺点
灵活性	支持动态增减参与者、多阶段同步。	学习曲线陡峭：API 复杂于 `CyclicBarrier`。
可扩展性	适合大规模并发任务（如千人游戏房间）。	性能开销：状态维护和 CAS 操作在高并发下可能成为瓶颈。
功能强大	支持分层、自定义终止条件、超时控制。	不适用简单场景：单阶段或固定线程数时，`CountDownLatch` 更简单。

🎯 五、适用场景

多阶段并行计算
- 示例：分治算法（如归并排序），每阶段需子任务全部完成。
动态任务流水线
- 示例：爬虫系统，线程根据任务量动态加入/退出。
游戏或模拟系统
- 示例：多玩家回合制游戏，每回合需所有玩家操作完毕。
批量数据处理
- 示例：ETL 任务分批次执行，批次间需同步。

💎 六、总结

核心价值：通过多阶段同步和动态参与者管理，解决复杂并发任务的协调问题。
使用原则：
- 优先用于多阶段、线程数动态变化的场景。
- 避免在单阶段或固定线程数的简单场景中使用（改用 CountDownLatch 或 CyclicBarrier）。
- 通过 onAdvance() 实现阶段回调，提升代码可维护性。
性能提示：监控阶段推进时间，避免因个别线程延迟导致整体卡顿。