CyclicBarrier原理

1、CyclicBarrier的简单概述
现实生活中我们经常会遇到这样的情景，在进行某个活动前需要等待人全部都齐了才开始。例如吃饭时要等全家人都上座了才动筷子，旅游时要等全部人都到齐了才出发，比赛时要等运动员都上场后才开始。

在JUC包中为我们提供了一个同步工具类能够很好的模拟这类场景，它就是CyclicBarrier类。利用CyclicBarrier类可以实现一组线程相互等待，当所有线程都到达某个屏障点后再进行后续的操作。下图演示了这一过程。

CyclicBarrier字面意思是“可重复使用的栅栏”，CyclicBarrier 相比 CountDownLatch 来说，要简单很多，其源码没有什么高深的地方，它是 ReentrantLock 和 Condition 的组合使用。

看如下示意图，CyclicBarrier 和 CountDownLatch 是不是很像，只是 CyclicBarrier 可以有不止一个栅栏，因为它的栅栏（Barrier）可以重复使用（Cyclic）。

首先，CyclicBarrier 的源码实现和 CountDownLatch 大同小异，CountDownLatch 基于 AQS 的共享模式的使用，而 CyclicBarrier 基于 Condition 来实现的。因为 CyclicBarrier 的源码相对来说简单许多，读者只要熟悉了前面关于 Condition 的分析，那么这里的源码是毫无压力的，就是几个特殊概念罢了。

在CyclicBarrier类的内部有一个计数器，每个线程在到达屏障点的时候都会调用await方法将自己阻塞，此时计数器会减1，当计数器减为0的时候所有因调用await方法而被阻塞的线程将被唤醒。这就是实现一组线程相互等待的原理，下面我们先看看CyclicBarrier有哪些成员变量。
 

//同步操作锁
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
//线程拦截器
private final Condition trip = lock.newCondition();
//每次拦截的线程数
private final int parties;
//换代前执行的任务
private final Runnable barrierCommand;
//表示栅栏的当前代
private Generation generation = new Generation();
//计数器
private int count;
 
//静态内部类Generation
private static class Generation {
  boolean broken = false;
}

上面贴出了CyclicBarrier所有的成员变量，可以看到CyclicBarrier内部是通过条件队列trip来对线程进行阻塞的，并且其内部维护了两个int型的变量parties和count，parties表示每次拦截的线程数，该值在构造时进行赋值。count是内部计数器，它的初始值和parties相同，以后随着每次await方法的调用而减1，直到减为0就将所有线程唤醒。CyclicBarrier有一个静态内部类Generation，该类的对象代表栅栏的当前代，就像玩游戏时代表的本局游戏，利用它可以实现循环等待。barrierCommand表示换代前执行的任务，当count减为0时表示本局游戏结束，需要转到下一局。在转到下一局游戏之前会将所有阻塞的线程唤醒，在唤醒所有线程之前你可以通过指定barrierCommand来执行自己的任务。我用一图来描绘下 CyclicBarrier 里面的一些概念：

接下来我们看看它的构造器。

//构造器1
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
  if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
  this.parties = parties;
  this.count = parties;
  this.barrierCommand = barrierAction;
}
 
//构造器2
public CyclicBarrier(int parties) {
  this(parties, null);
}

CyclicBarrier有两个构造器，其中构造器1是它的核心构造器，在这里你可以指定本局游戏的参与者数量(要拦截的线程数)以及本局结束时要执行的任务，还可以看到计数器count的初始值被设置为parties。CyclicBarrier类最主要的功能就是使先到达屏障点的线程阻塞并等待后面的线程，其中它提供了两种等待的方法，分别是定时等待和非定时等待。
 

//非定时等待
public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
  try {
    return dowait(false, 0L);
  } catch (TimeoutException toe) {
    throw new Error(toe);
  }
}
 
//定时等待
public int await(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, BrokenBarrierException, TimeoutException {
  return dowait(true, unit.toNanos(timeout));
}

可以看到不管是定时等待还是非定时等待，它们都调用了dowait方法，只不过是传入的参数不同而已。下面我们就来看看dowait方法都做了些什么。

//核心等待方法
private int dowait(boolean timed, long nanos) throws InterruptedException, BrokenBarrierException, TimeoutException {
  final ReentrantLock lock = this.lock;
  lock.lock();
  try {
    final Generation g = generation;
    //检查当前栅栏是否被打翻
    if (g.broken) {
      throw new BrokenBarrierException();
    }
    //检查当前线程是否被中断
    if (Thread.interrupted()) {
      //如果当前线程被中断会做以下三件事
      //1.打翻当前栅栏
      //2.唤醒拦截的所有线程
      //3.抛出中断异常
      breakBarrier();
      throw new InterruptedException();
    }
    //每次都将计数器的值减1
    int index = --count;
    //计数器的值减为0则需唤醒所有线程并转换到下一代
    if (index == 0) {
      boolean ranAction = false;
      try {
        //唤醒所有线程前先执行指定的任务
        final Runnable command = barrierCommand;
        if (command != null) {
          command.run();
        }
        ranAction = true;
        //唤醒所有线程并转到下一代
        nextGeneration();
        return 0;
      } finally {
        //确保在任务未成功执行时能将所有线程唤醒
        if (!ranAction) {
          breakBarrier();
        }
      }
    }
 
    //如果计数器不为0则执行此循环
    for (;;) {
      try {
        //根据传入的参数来决定是定时等待还是非定时等待
        if (!timed) {
          trip.await();
        }else if (nanos > 0L) {
          nanos = trip.awaitNanos(nanos);
        }
      } catch (InterruptedException ie) {
        //若当前线程在等待期间被中断则打翻栅栏唤醒其他线程
        if (g == generation && ! g.broken) {
          breakBarrier();
          throw ie;
        } else {
          //若在捕获中断异常前已经完成在栅栏上的等待, 则直接调用中断操作
          Thread.currentThread().interrupt();
        }
      }
      //如果线程因为打翻栅栏操作而被唤醒则抛出异常
      if (g.broken) {
        throw new BrokenBarrierException();
      }
      //如果线程因为换代操作而被唤醒则返回计数器的值
      if (g != generation) {
        return index;
      }
      //如果线程因为时间到了而被唤醒则打翻栅栏并抛出异常
      if (timed && nanos <= 0L) {
        breakBarrier();
        throw new TimeoutException();
      }
    }
  } finally {
    lock.unlock();
  }
}

上面贴出的代码中注释都比较详细，我们只挑一些重要的来讲。可以看到在dowait方法中每次都将count减1，减完后立马进行判断看看是否等于0，如果等于0的话就会先去执行之前指定好的任务，执行完之后再调用nextGeneration方法将栅栏转到下一代，在该方法中会将所有线程唤醒，将计数器的值重新设为parties，最后会重新设置栅栏代次，在执行完nextGeneration方法之后就意味着游戏进入下一局。如果计数器此时还不等于0的话就进入for循环，根据参数来决定是调用trip.awaitNanos(nanos)还是trip.await()方法，这两方法对应着定时和非定时等待。如果在等待过程中当前线程被中断就会执行breakBarrier方法，该方法叫做打破栅栏，意味着游戏在中途被掐断，设置generation的broken状态为true并唤醒所有线程。同时这也说明在等待过程中有一个线程被中断整盘游戏就结束，所有之前被阻塞的线程都会被唤醒。线程醒来后会执行下面三个判断，看看是否因为调用breakBarrier方法而被唤醒，如果是则抛出异常；看看是否是正常的换代操作而被唤醒，如果是则返回计数器的值；看看是否因为超时而被唤醒，如果是的话就调用breakBarrier打破栅栏并抛出异常。这里还需要注意的是，如果其中有一个线程因为等待超时而退出，那么整盘游戏也会结束，其他线程都会被唤醒。下面贴出nextGeneration方法和breakBarrier方法的具体代码。
 

//切换栅栏到下一代
private void nextGeneration() {
  //唤醒条件队列所有线程
  trip.signalAll();
  //设置计数器的值为需要拦截的线程数
  count = parties;
  //重新设置栅栏代次
  generation = new Generation();
}
 
//打翻当前栅栏
private void breakBarrier() {
  //将当前栅栏状态设置为打翻
  generation.broken = true;
  //设置计数器的值为需要拦截的线程数
  count = parties;
  //唤醒所有线程
  trip.signalAll();
}

 最后，我们来看看怎么重置一个栅栏：

public void reset() {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        breakBarrier();   // break the current generation
        nextGeneration(); // start a new generation
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

我们设想一下，如果初始化时，指定了线程 parties = 4，前面有 3 个线程调用了 await 等待，在第 4 个线程调用 await 之前，我们调用 reset 方法，那么会发生什么？

首先，打破栅栏，那意味着所有等待的线程（3个等待的线程）会唤醒，await 方法会通过抛出 BrokenBarrierException 异常返回。然后开启新的一代，重置了 count 和 generation，相当于一切归零了。

上面我们已经通过源码将CyclicBarrier的原理基本都讲清楚了，下面我们就通过一个赛马的例子来深入掌握它的使用。