介绍
循环屏障。
应用场景：CyclicBarrier可以用于多线程计算数据，最后合并计算结果的场景。例如，用一个Excel保存了用户所有银行流水，每个Sheet保存一个账户近一年的每笔银行流水，现在需要统计用户的日均银行流水，先用多线程处理每个sheet里的银行流水，都执行完之后，得到每个sheet的日均银行流水，最后，再用barrierAction根据这些线程的计算结果，计算出整个Excel的日均银行流水。
用法：让一组线程到达一个屏障（也可以叫同步点）时被阻塞，直到最后一个线程到达屏障时，屏障才会开门，所有被屏障拦截的线程才会继续执行。也就是说，一组线程互相等待到某个状态，然后这组线程再同时执行。
这个屏障之所以用循环修饰，是因为在所有的线程释放彼此之后，这个屏障是可以重新使用的（reset()方法重置屏障点）。这一点与CountDownLatch不同。
CyclicBarrier源码分析
类的继承关系
CyclicBarrier没有显示继承哪个父类或者实现哪个父接口, 所以他对AQS和重入锁不是通过继承实现的，而是通过组合实现的。
public class CyclicBarrier {}
类的内部类
CyclicBarrier类存在一个内部类Generation，每一次使用的CycBarrier可以当成Generation的实例，其源代码如下
private static class Generation {
boolean broken = false;
}
说明: Generation类有一个属性broken，用来表示当前屏障是否被损坏。
类的属性
public class CyclicBarrier {
/** The lock for guarding barrier entry */
// 可重入锁
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
/** Condition to wait on until tripped */
// 条件队列
private final Condition trip = lock.newCondition();
/** The number of parties */
// 参与的线程数量
private final int parties;
/* The command to run when tripped */
// 由最后一个进入 barrier 的线程执行的操作
private final Runnable barrierCommand;
/** The current generation */
// 当前代
private Generation generation = new Generation();
// 正在等待进入屏障的线程数量
private int count;
}
说明: 该属性有一个为ReentrantLock对象，有一个为Condition对象，而Condition对象又是基于AQS的，所以，归根到底，底层还是由AQS提供支持。
类的构造函数
- CyclicBarrier(int, Runnable)型构造函数
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
// 参与的线程数量小于等于0，抛出异常
if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
// 设置parties
this.parties = parties;
// 设置count
this.count = parties;
// 设置barrierCommand
this.barrierCommand = barrierAction;
}
说明: 该构造函数可以指定关联该CyclicBarrier的线程数量，并且可以指定在所有线程都进入屏障后的执行动作，该执行动作由最后一个进行屏障的线程执行。
- CyclicBarrier(int)型构造函数
public CyclicBarrier(int parties) {
// 调用含有两个参数的构造函数
this(parties, null);
}
说明: 该构造函数仅仅执行了关联该CyclicBarrier的线程数量，没有设置执行动作。
核心函数 - dowait函数
此函数为CyclicBarrier类的核心函数，CyclicBarrier类对外提供的await函数在底层都是调用该了doawait函数，其源代码如下。
private int dowait(boolean timed, long nanos)
throws InterruptedException, BrokenBarrierException,
TimeoutException {
// 保存当前锁
final ReentrantLock lock = this.lock;
// 锁定
lock.lock();
try {
// 保存当前代
final Generation g = generation;
if (g.broken) // 屏障被破坏，抛出异常
throw new BrokenBarrierException();
if (Thread.interrupted()) { // 线程被中断
// 损坏当前屏障，并且唤醒所有的线程，只有拥有锁的时候才会调用
breakBarrier();
// 抛出异常
throw new InterruptedException();
}
// 减少正在等待进入屏障的线程数量
int index = --count;
if (index == 0) { // 正在等待进入屏障的线程数量为0，所有线程都已经进入
// 运行的动作标识
boolean ranAction = false;
try {
// 保存运行动作
final Runnable command = barrierCommand;
if (command != null) // 动作不为空
// 运行
command.run();
// 设置ranAction状态
ranAction = true;
// 进入下一代
nextGeneration();
return 0;
} finally {
if (!ranAction) // 没有运行的动作
// 损坏当前屏障
breakBarrier();
}
}
// loop until tripped, broken, interrupted, or timed out
// 无限循环
for (;;) {
try {
if (!timed) // 没有设置等待时间
// 等待
trip.await();
else if (nanos > 0L) // 设置了等待时间，并且等待时间大于0
// 等待指定时长
nanos = trip.awaitNanos(nanos);
} catch (InterruptedException ie) {
if (g == generation && ! g.broken) { // 等于当前代并且屏障没有被损坏
// 损坏当前屏障
breakBarrier();
// 抛出异常
throw ie;
} else { // 不等于当前带后者是屏障被损坏
// We're about to finish waiting even if we had not
// been interrupted, so this interrupt is deemed to
// "belong" to subsequent execution.
// 中断当前线程
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
if (g.broken) // 屏障被损坏，抛出异常
throw new BrokenBarrierException();
if (g != generation) // 不等于当前代
// 返回索引
return index;
if (timed && nanos <= 0L) { // 设置了等待时间，并且等待时间小于0
// 损坏屏障
breakBarrier();
// 抛出异常
throw new TimeoutException();
}
}
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
}
说明: dowait方法的逻辑会进行一系列的判断，大致流程如下:
核心函数 - nextGeneration函数
此函数在所有线程进入屏障后会被调用，即生成下一个版本，所有线程又可以重新进入到屏障中，其源代码如下
private void nextGeneration() {
// signal completion of last generation
// 唤醒所有线程
trip.signalAll();
// set up next generation
// 恢复正在等待进入屏障的线程数量
count = parties;
// 新生一代
generation = new Generation();
}
在此函数中会调用AQS的signalAll方法，即唤醒所有等待线程。如果所有的线程都在等待此条件，则唤醒所有线程。其源代码如下
public final void signalAll() {
if (!isHeldExclusively()) // 不被当前线程独占，抛出异常
throw new IllegalMonitorStateException();
// 保存condition队列头节点
Node first = firstWaiter;
if (first != null) // 头节点不为空
// 唤醒所有等待线程
doSignalAll(first);
}
说明: 此函数判断头节点是否为空，即条件队列是否为空，然后会调用doSignalAll函数，doSignalAll函数源码如下
private void doSignalAll(Node first) {
// condition队列的头节点尾结点都设置为空
lastWaiter = firstWaiter = null;
// 循环
do {
// 获取first结点的nextWaiter域结点
Node next = first.nextWaiter;
// 设置first结点的nextWaiter域为空
first.nextWaiter = null;
// 将first结点从condition队列转移到sync队列
transferForSignal(first);
// 重新设置first
first = next;
} while (first != null);
}
说明: 此函数会依次将条件队列中的节点转移到同步队列中，会调用到transferForSignal函数，其源码如下
final boolean transferForSignal(Node node) {
/*
* If cannot change waitStatus, the node has been cancelled.
*/
if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))
return false;
/*
* Splice onto queue and try to set waitStatus of predecessor to
* indicate that thread is (probably) waiting. If cancelled or
* attempt to set waitStatus fails, wake up to resync (in which
* case the waitStatus can be transiently and harmlessly wrong).
*/
Node p = enq(node);
int ws = p.waitStatus;
if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))
LockSupport.unpark(node.thread);
return true;
}
说明: 此函数的作用就是将处于条件队列中的节点转移到同步队列中，并设置结点的状态信息，其中会调用到enq函数，其源代码如下。
private Node enq(final Node node) {
for (;;) { // 无限循环，确保结点能够成功入队列
// 保存尾结点
Node t = tail;
if (t == null) { // 尾结点为空，即还没被初始化
if (compareAndSetHead(new Node())) // 头节点为空，并设置头节点为新生成的结点
tail = head; // 头节点与尾结点都指向同一个新生结点
} else { // 尾结点不为空，即已经被初始化过
// 将node结点的prev域连接到尾结点
node.prev = t;
if (compareAndSetTail(t, node)) { // 比较结点t是否为尾结点，若是则将尾结点设置为node
// 设置尾结点的next域为node
t.next = node;
return t; // 返回尾结点
}
}
}
}
说明: 此函数完成了结点插入同步队列的过程，也很好理解。
综合上面的分析可知，newGeneration函数的主要方法的调用如下:
breakBarrier函数
此函数的作用是损坏当前屏障，会唤醒所有在屏障中的线程。源代码如下:
private void breakBarrier() {
// 设置状态
generation.broken = true;
// 恢复正在等待进入屏障的线程数量
count = parties;
// 唤醒所有线程
trip.signalAll();
}
说明: 可以看到，此函数也调用了AQS的signalAll函数，由signal函数提供支持
CyclicBarrier示例
下面通过一个例子来详解CyclicBarrier的使用和内部工作机制，源代码如下
import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
class MyThread extends Thread {
private CyclicBarrier cb;
public MyThread(String name, CyclicBarrier cb) {
super(name);
this.cb = cb;
}
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " going to await");
try {
cb.await();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " continue");
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public class CyclicBarrierDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
CyclicBarrier cb = new CyclicBarrier(3, new Thread("barrierAction") {
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " barrier action");
}
});
MyThread t1 = new MyThread("t1", cb);
MyThread t2 = new MyThread("t2", cb);
t1.start();
t2.start();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " going to await");
cb.await();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " continue");
}
}
//运行结果(某一次):
t1 going to await
main going to await
t2 going to await
t2 barrier action
t2 continue
t1 continue
main continue
说明: 根据结果可知，可能会存在如下的调用时序。
说明: 由上图可知，假设t1线程的cb.await是在main线程的cb.barrierAction动作是由最后一个进入屏障的线程执行的。根据时序图，进一步分析出其内部工作流程。
- main(主)线程执行cb.await操作，主要调用的函数如下。
说明: 由于ReentrantLock的默认采用非公平策略，所以在dowait函数中调用的是ReentrantLock.NonfairSync的lock函数，由于此时AQS的状态是0，表示还没有被任何线程占用，故main线程可以占用，之后在dowait中会调用trip.await函数，最终的结果是条件队列中存放了一个包含main线程的结点，并且被禁止运行了，同时，main线程所拥有的资源也被释放了，可以供其他线程获取。
- t1线程执行cb.await操作，其中假设t1线程的lock.lock操作在main线程释放了资源之后，则其主要调用的函数如下。
说明: 可以看到，之后condition queue(条件队列)里面有两个节点，包含t1线程的结点插入在队列的尾部，并且t1线程也被禁止了，因为执行了park操作，此时两个线程都被禁止了。
- t2线程执行cb.await操作，其中假设t2线程的lock.lock操作在t1线程释放了资源之后，则其主要调用的函数如下。
说明: 由上图可知，在t2线程执行await操作后，会直接执行command.run方法，不是重新开启一个线程，而是最后进入屏障的线程执行。同时，会将Condition queue中的所有节点都转移到Sync queue中，并且最后main线程会被unpark，可以继续运行。main线程获取cpu资源，继续运行。
- main线程获取cpu资源，继续运行，下图给出了主要的方法调用:
说明: 其中，由于main线程是在AQS.CO的wait中被park的，所以恢复时，会继续在该方法中运行。运行过后，t1线程被unpark，它获得cpu资源可以继续运行。
- t1线程获取cpu资源，继续运行，下图给出了主要的方法调用。
说明: 其中，由于t1线程是在AQS.CO的wait方法中被park，所以恢复时，会继续在该方法中运行。运行过后，Sync queue中保持着一个空节点。头节点与尾节点均指向它。
注意: 在线程await过程中中断线程会抛出异常，所有进入屏障的线程都将被释放。至于CyclicBarrier的其他用法，读者可以自行查阅API，不再累赘。
和CountDownLatch的区别
CyclicBarrier 和 CountDownLatch 都能够实现线程之间的等待
CountDownLatch简单的说就是一个线程等待，直到他所等待的其他线程都执行完成并且调用countDown()方法发出通知后，当前线程才可以继续执行。
cyclicBarrier是所有线程都进行等待，直到所有线程都准备好进入await()方法之后，所有线程同时开始执行！
CountDownLatch减计数，CyclicBarrier加计数。
CountDownLatch是一次性的，CyclicBarrier可以重用。CyclicBarrier的计数器可以使用reset() 方法重置。所以CyclicBarrier能处理更为复杂的业务场景，比如如果计算发生错误，可以重置计数器，并让线程们重新执行一次。
