要点解说

CyclicBarrier是一个同步辅助类，它允许一组线程互相等待，直到所有线程都到达某个公共屏障点(也可以叫同步点)，即相互等待的线程都完成调用await方法，所有被屏障拦截的线程才会继续运行await方法后面的程序。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。因为该屏障点在释放等待线程后可以重用，所以称它为循环的屏障点。CyclicBarrier支持一个可选的Runnable命令，在一组线程中的最后一个线程到达屏障点之后（但在释放所有线程之前），该命令只在所有线程到达屏障点之后运行一次，并且该命令由最后一个进入屏障点的线程执行。

实例演示

CyclicBarrier简单使用样例。

public class CyclicBarrierDemo {

@Test

public void test() {

final CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(2, myThread);

new Thread(new Runnable() {

@Override

public void run() {

try {

System.out.println(Thread.currentThread().getName());

barrier.await();

System.out.println(Thread.currentThread().getName());

} catch (Exception e) {

e.printStackTrace();

}

}

}, "thread1").start();

new Thread(new Runnable() {

@Override

public void run() {

try {

System.out.println(Thread.currentThread().getName());

barrier.await();

System.out.println(Thread.currentThread().getName());

} catch (Exception e) {

e.printStackTrace();

}

}

}, "thread2").start();

}

Thread myThread = new Thread(new Runnable() {

@Override

public void run() {

System.out.println("myThread");

}

}, "thread3");

}

结果输出：

thread1

thread2

myThread

thread2

thread1

方法解析

1.CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) 创建一个CyclicBarrier实例，parties指定参与相互等待的线程数，barrierAction指定当所有线程到达屏障点之后，首先执行的操作，该操作由最后一个进入屏障点的线程执行。

2.CyclicBarrier(int parties) 创建一个CyclicBarrier实例，parties指定参与相互等待的线程数。

3.getParties() 返回参与相互等待的线程数。

4.await() 该方法被调用时表示当前线程已经到达屏障点，当前线程阻塞进入休眠状态，直到所有线程都到达屏障点，当前线程才会被唤醒。

5.await(long timeout, TimeUnit unit) 该方法被调用时表示当前线程已经到达屏障点，当前线程阻塞进入休眠状态，在timeout指定的超时时间内，等待其他参与线程到达屏障点；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。

6.isBroken() 判断此屏障是否处于中断状态。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屏障点，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。

7.reset() 将屏障重置为其初始状态。

8.getNumberWaiting() 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。

源码解析

CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)和await()方法是CyclicBarrier的核心，本篇重点分析这两个方法的背后实现原理。 首先，看一下CyclicBarrier内声明的一些属性信息：

//用于保护屏障入口的锁

private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

//线程等待条件

private final Condition trip = lock.newCondition();

//记录参与等待的线程数

private final int parties;

//当所有线程到达屏障点之后，首先执行的命令

private final Runnable barrierCommand;

private Generation generation = new Generation();

//实际中仍在等待的线程数，每当有一个线程到达屏障点，count值就会减一；当一次新的运算开始后，count的值被重置为parties

private int count;

其中，Generation是CyclicBarrier的一个静态内部类，它只有一个boolean类型的属性，具体代码如下：

private static class Generation {

boolean broken = false;

}

当使用构造方法创建CyclicBarrier实例的时候，就是给上面这些属性赋值，

//创建一个CyclicBarrier实例，parties指定参与相互等待的线程数，

//barrierAction指定当所有线程到达屏障点之后，首先执行的操作，该操作由最后一个进入屏障点的线程执行。

public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {

if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();

this.parties = parties;

this.count = parties;

this.barrierCommand = barrierAction;

}

//创建一个CyclicBarrier实例，parties指定参与相互等待的线程数

public CyclicBarrier(int parties) {

this(parties, null);

}

当调用await()方法时，当前线程已经到达屏障点，当前线程阻塞进入休眠状态，

//该方法被调用时表示当前线程已经到达屏障点，当前线程阻塞进入休眠状态

//直到所有线程都到达屏障点，当前线程才会被唤醒

public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {

try {

return dowait(false, 0L);

} catch (TimeoutException toe) {

throw new Error(toe); // cannot happen;

}

}

//该方法被调用时表示当前线程已经到达屏障点，当前线程阻塞进入休眠状态

//在timeout指定的超时时间内，等待其他参与线程到达屏障点

//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

public int await(long timeout, TimeUnit unit)

throws InterruptedException,

BrokenBarrierException,

TimeoutException {

return dowait(true, unit.toNanos(timeout));

}

private int dowait(boolean timed, long nanos)

throws InterruptedException, BrokenBarrierException,

TimeoutException {

//使用独占资源锁控制多线程并发进入这段代码

final ReentrantLock lock = this.lock;

//独占锁控制线程并发访问

lock.lock();

try {

final Generation g = generation;

if (g.broken)

throw new BrokenBarrierException();

//如果线程中断，则唤醒所有等待线程

if (Thread.interrupted()) {

breakBarrier();

throw new InterruptedException();

}

//每调用一次await()方法，计数器就减一

int index = --count;

//当计数器值等于0的时

if (index == 0) { // tripped

boolean ranAction = false;

try {

final Runnable command = barrierCommand;

//如果在创建CyclicBarrier实例时设置了barrierAction，则先执行barrierAction

if (command != null)

command.run();

ranAction = true;

//当所有参与的线程都到达屏障点，为唤醒所有处于休眠状态的线程做准备工作

//需要注意的是，唤醒所有阻塞线程不是在这里

nextGeneration();

return 0;

} finally {

if (!ranAction)

breakBarrier();

}

}

// loop until tripped, broken, interrupted, or timed out

for (;;) {

try {

if (!timed)

//让当前执行的线程阻塞，处于休眠状态

trip.await();

else if (nanos > 0L)

//让当前执行的线程阻塞，在超时时间内处于休眠状态

nanos = trip.awaitNanos(nanos);

} catch (InterruptedException ie) {

if (g == generation && ! g.broken) {

breakBarrier();

throw ie;

} else {

// We're about to finish waiting even if we had not

// been interrupted, so this interrupt is deemed to

// "belong" to subsequent execution.

Thread.currentThread().interrupt();

}

}

if (g.broken)

throw new BrokenBarrierException();

if (g != generation)

return index;

if (timed && nanos <= 0L) {

breakBarrier();

throw new TimeoutException();

}

}

} finally {

//释放独占锁

lock.unlock();

}

}

private void nextGeneration() {

//为唤醒所有处于休眠状态的线程做准备工作

trip.signalAll();

//重置count值为parties

count = parties;

//重置中断状态为false

generation = new Generation();

}

private void breakBarrier() {

//重置中断状态为true

generation.broken = true;

//重置count值为parties

count = parties;

//为唤醒所有处于休眠状态的线程做准备工作

trip.signalAll();

}

到这里CyclicBarrier的实现原理基本已经都清楚了，下面来深入源码分析一下线程阻塞代码trip.await()和线程唤醒trip.signalAll()的实现。

//await()是AQS内部类ConditionObject中的方法

public final void await() throws InterruptedException {

//如果线程中断抛异常

if (Thread.interrupted())

throw new InterruptedException();

//新建Node节点，并将新节点加入到Condition等待队列中

//Condition等待队列是AQS内部类ConditionObject实现的，ConditionObject有两个属性，分别是firstWaiter和lastWaiter，都是Node类型

//firstWaiter和lastWaiter分别用于代表Condition等待队列的头结点和尾节点

Node node = addConditionWaiter();

//释放独占锁，让其它线程可以获取到dowait()方法中的独占锁

int savedState = fullyRelease(node);

int interruptMode = 0;

//检测此节点是否在资源等待队列(AQS同步队列)中，

//如果不在，说明此线程还没有竞争资源锁的权利，此线程继续阻塞，直到检测到此节点在资源等待队列上(AQS同步队列)中

//这里出现了两个等待队列，分别是Condition等待队列和AQS资源锁等待队列(或者说是同步队列)

//Condition等待队列是等待被唤醒的线程队列，AQS资源锁等待队列是等待获取资源锁的队列

while (!isOnSyncQueue(node)) {

//阻塞当前线程，当前线程进入休眠状态，可以看到这里使用LockSupport.park阻塞当前线程

LockSupport.park(this);

if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)

break;

}

if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)

interruptMode = REINTERRUPT;

if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled

unlinkCancelledWaiters();

if (interruptMode != 0)

reportInterruptAfterWait(interruptMode);

}

//addConditionWaiter()是AQS内部类ConditionObject中的方法

private Node addConditionWaiter() {

Node t = lastWaiter;

// 将condition等待队列中，节点状态不是CONDITION的节点，从condition等待队列中移除

if (t != null && t.waitStatus != Node.CONDITION) {

unlinkCancelledWaiters();

t = lastWaiter;

}

//以下操作是用此线程构造一个节点，并将之加入到condition等待队列尾部

Node node = new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);

if (t == null)

firstWaiter = node;

else

t.nextWaiter = node;

lastWaiter = node;

return node;

}

//signalAll是AQS内部类ConditionObject中的方法

public final void signalAll() {

if (!isHeldExclusively())

throw new IllegalMonitorStateException();

//Condition等待队列的头结点

Node first = firstWaiter;

if (first != null)

doSignalAll(first);

}

private void doSignalAll(Node first) {

lastWaiter = firstWaiter = null;

do {

Node next = first.nextWaiter;

first.nextWaiter = null;

//将Condition等待队列中的Node节点按之前顺序都转移到了AQS同步队列中

transferForSignal(first);

first = next;

} while (first != null);

}

final boolean transferForSignal(Node node) {

if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))

return false;

//这里将Condition等待队列中的Node节点插入到AQS同步队列的尾部

Node p = enq(node);

int ws = p.waitStatus;

if (ws > 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))

LockSupport.unpark(node.thread);

return true;

}

//ReentrantLock#unlock()方法

public void unlock() {

//Sync是ReentrantLock的内部类，继承自AbstractQueuedSynchronizer，它是ReentrantLock中公平锁和非公平锁的基础实现

sync.release(1);

}

public final boolean release(int arg) {

//释放锁

if (tryRelease(arg)) {

//AQS同步队列头结点

Node h = head;

if (h != null && h.waitStatus != 0)

//唤醒节点中的线程

unparkSuccessor(h);

return true;

}

return false;

}

private void unparkSuccessor(Node node) {

int ws = node.waitStatus;

if (ws < 0)

compareAndSetWaitStatus(node, ws, 0);

Node s = node.next;

if (s == null || s.waitStatus > 0) {

s = null;

for (Node t = tail; t != null && t != node; t = t.prev)

if (t.waitStatus <= 0)

s = t;

}

if (s != null)

//唤醒阻塞线程

LockSupport.unpark(s.thread);

}

原理总结

用上面的示例总结一下CyclicBarrier的await方法实现，假设线程thread1和线程thread2都执行到CyclicBarrier的await()，都进入dowait(boolean timed, long nanos)，thread1先获取到独占锁，执行到--count的时，index等于1，所以进入下面的for循环，接着执行trip.await()，进入await()方法，执行Node node = addConditionWaiter()将当前线程构造成Node节点并加入到Condition等待队列中，然后释放获取到的独占锁，当前线程进入阻塞状态；此时，线程thread2可以获取独占锁，继续执行--count，index等于0，所以先执行command.run()，输出myThread，然后执行nextGeneration()，nextGeneration()中trip.signalAll()只是将Condition等待队列中的Node节点按之前顺序都转移到了AQS同步队列中，这里也就是将thread1对应的Node节点转移到了AQS同步队列中，thread2执行完nextGeneration()，返回return 0之前，细看代码还需要执行lock.unlock()，这里会执行到ReentrantLock的unlock()方法，最终执行到AQS的unparkSuccessor(Node node)方法，从AQS同步队列中的头结点开始释放节点，唤醒节点对应的线程，即thread1恢复执行。

如果有三个线程thread1、thread2和thread3，假设线程执行顺序是thread1、thread2、thread3，那么thread1、thread2对应的Node节点会被加入到Condition等待队列中，当thread3执行的时候，会将thread1、thread2对应的Node节点按thread1、thread2顺序转移到AQS同步队列中，thread3执行lock.unlock()的时候，会先唤醒thread1，thread1恢复继续执行，thread1执行到lock.unlock()的时候会唤醒thread2恢复执行。

实战经验

一个excel有多个sheet，每个sheet记录用户的每日交易流水，如果要计算这个用户当月的日平均消费情况，可以使用多线程先分别计算每日的消费情况，然后再做汇总计算平均值。

面试考点

CyclicBarrier当所有线程都到达屏障点后，等待线程的执行顺序是什么样的？

CyclicBarrier的await方法是使用ReentrantLock和Condition控制实现的，使用的Condition实现类是ConditionObject，它里面有一个等待队列和await方法，这个await方法会向队列中加入元素。当调用CyclicBarrier的await方法会间接调用ConditionObject的await方法，当屏障关闭后首先执行指定的barrierAction，然后依次执行等待队列中的任务，有先后顺序。