在 Java 并发编程中，如何有效地控制多个线程的协作与同步是一个重要的课题。本文将详细探讨两个关键工具类：CyclicBarrier 和 ReentrantLock。通过对其原理、源码和应用场景的深入分析，希望能帮助读者更好地理解和应用这些工具类。

CyclicBarrier 的应用与原理解析

CyclicBarrier 是 Java 并发编程中的一个重要工具类，用于协调多个线程在某个同步点共同等待，直到所有线程都到达同步点后才继续执行。它的主要用途是让一组线程在某个固定点上等待，直到所有线程都到达此点后再一起继续执行，类似于“栅栏”的功能。

基本用法

CyclicBarrier 的构造函数主要有两个：

1. CyclicBarrier(int parties)：创建一个新的 CyclicBarrier，其计数器的初始值为 parties。
2. CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)：创建一个新的 CyclicBarrier，其计数器的初始值为 parties，并且在所有线程都到达屏障时执行指定的 barrierAction 任务。

java

import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class CyclicBarrierExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个CyclicBarrier，指定需要同步的线程数为3
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, () -> {
            // 所有线程到达屏障后执行的任务
            System.out.println("所有线程都到达屏障，继续执行...");
        });

        // 创建并启动三个线程
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(new Worker(barrier)).start();
        }
    }
}

class Worker implements Runnable {
    private CyclicBarrier barrier;

    public Worker(CyclicBarrier barrier) {
        this.barrier = barrier;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在执行");
            Thread.sleep(1000);  // 模拟任务执行
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 到达屏障");
            barrier.await();  // 等待其他线程到达屏障
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 继续执行");
        } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

原理解析

CyclicBarrier 的内部实现基于 ReentrantLock 和 Condition，并通过一个 count 变量作为计数器来记录当前到达屏障的线程数。当计数器的值降为 0 时，表示所有线程都已到达屏障，此时屏障打开，所有线程继续执行。

构造方法

java

public CyclicBarrier(int parties) {
    this(parties, null);
}

public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
    if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
    this.parties = parties;  // 初始化拦截线程数
    this.count = parties;    // 初始化计数器
    this.barrierCommand = barrierAction;  // 初始化屏障任务
}

await 方法

当线程调用 await() 方法时，实际上调用的是 dowait(false, 0L) 方法。await() 方法会将当前线程阻塞，直到所有线程都到达屏障。

java

public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
    try {
        return dowait(false, 0L);
    } catch (TimeoutException toe) {
        throw new Error(toe); // 不会发生
    }
}

dowait 方法

dowait 方法是 CyclicBarrier 的核心逻辑所在，负责实现线程的等待与屏障的打开。

java

private int dowait(boolean timed, long nanos)
    throws InterruptedException, BrokenBarrierException, TimeoutException {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();  // 获取锁
    try {
        final Generation g = generation;

        if (g.broken)
            throw new BrokenBarrierException();

        if (Thread.interrupted()) {
            breakBarrier();
            throw new InterruptedException();
        }

        int index = --count;  // 递减计数器
        if (index == 0) {  // 当计数器为0，表示最后一个线程到达屏障
            boolean ranAction = false;
            try {
                final Runnable command = barrierCommand;
                if (command != null)
                    command.run();  // 执行屏障任务
                ranAction = true;
                nextGeneration();  // 开启下一轮
                return 0;
            } finally {
                if (!ranAction)
                    breakBarrier();
            }
        }

        // 继续等待
        for (;;) {
            try {
                if (!timed)
                    trip.await();
                else if (nanos > 0L)
                    nanos = trip.awaitNanos(nanos);
            } catch (InterruptedException ie) {
                if (g == generation && ! g.broken) {
                    breakBarrier();
                    throw ie;
                } else {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            }

            if (g.broken)
                throw new BrokenBarrierException();

            if (g != generation)
                return index;

            if (timed && nanos <= 0L) {
                breakBarrier();
                throw new TimeoutException();
            }
        }
    } finally {
        lock.unlock();  // 释放锁
    }
}

实际应用场景

1. 多线程任务的阶段性同步：在一些复杂的多线程任务中，需要各个线程在某些阶段进行同步，然后再继续下一阶段的执行。
2. 并行计算的结果合并：多个线程进行并行计算，计算完成后需要将结果汇总，此时可以使用 CyclicBarrier 来等待所有计算线程完成后再进行汇总。

ReentrantLock 的概述与深入解析

ReentrantLock 是 Java 并发包（java.util.concurrent）中的一个重要类，用于实现显式锁（Explicit Lock）。它提供了比 synchronized 关键字更灵活和更强大的锁机制。在实际开发中，ReentrantLock 常用于替代 synchronized 关键字，以实现更复杂的同步需求。

基本用法

ReentrantLock 提供了显式的锁和解锁操作，需要手动进行锁的获取和释放。下面是一个简单的示例，展示了 ReentrantLock 的基本用法：

java

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockExample {
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void performTask() {
        lock.lock();  // 显式获取锁
        try {
            // 临界区代码
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在执行任务");
        } finally {
            lock.unlock();  // 显式释放锁
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ReentrantLockExample example = new ReentrantLockExample();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(example::performTask).start();
        }
    }
}

主要功能

1. 可重入性：ReentrantLock 是可重入的，这意味着一个线程可以多次获取同一个锁而不会被自己阻塞，类似于 synchronized。每次调用 lock() 方法都会增加锁的重入次数，调用 unlock() 方法会减少锁的重入次数，直到重入次数为 0 时才真正释放锁。
2. 公平锁和非公平锁：ReentrantLock 可以选择公平锁和非公平锁。公平锁（Fair Lock）按照线程请求锁的顺序来分配锁，而非公平锁（Non-Fair Lock）可能会让某些线程“插队”。默认情况下，ReentrantLock 是非公平锁，但可以通过构造函数指定为公平锁。
3. 条件变量（Condition）：ReentrantLock 提供了条件变量（Condition）来实现等待/通知机制，比 Object 的 wait 和 notify 更加灵活和强大。

可重入性示例

java

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockReentrantExample {
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void outer() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进入外层方法");
            inner();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void inner() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进入内层方法");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ReentrantLockReentrantExample example = new ReentrantLockReentrantExample();
        example.outer();
    }
}

公平锁和非公平锁

java

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class FairLockExample {
    private final ReentrantLock fairLock = new ReentrantLock(true);  // 公平锁
    private final ReentrantLock nonFairLock = new ReentrantLock(false);  // 非公平锁

    public void performTaskWithFairLock() {
        fairLock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取了公平锁");
        } finally {
            fairLock.unlock();
        }
    }

    public void performTaskWithNonFairLock() {
        nonFairLock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取了非公平锁");
        } finally {
            nonFairLock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        FairLockExample example = new FairLockExample();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(example::performTaskWithFairLock).start();
            new Thread(example::performTaskWithNonFairLock).start();
        }
    }
}

源码解析

ReentrantLock 的实现基于 AbstractQueuedSynchronizer（AQS），这是一个用于构建锁和同步器的框架。下面我们通过源码来深入解析 ReentrantLock 的实现。

构造函数

java

public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}

public ReentrantLock(boolean fair) {
    sync = fair ? new FairSync() : new NonfairSync();
}

ReentrantLock 通过 sync 变量来持有锁的具体实现，sync 可以是 FairSync（公平锁）或 NonfairSync（非公平锁）。

锁的获取

java

public void lock() {
    sync.lock();
}

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    abstract void lock();

    // 非公平锁的获取
    static final class NonfairSync extends Sync {
        final void lock() {
            if (compareAndSetState(0, 1))
                setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
            else
                acquire(1);
        }

        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            return nonfairTryAcquire(acquires);
        }
    }

    // 公平锁的获取
    static final class FairSync extends Sync {
        final void lock() {
            acquire(1);
        }

        protected final boolean tryAcquire(int acquires) {
            final Thread current = Thread.currentThread();
            int c = getState();
            if (c == 0) {
                if (!hasQueuedPredecessors() && compareAndSetState(0, 1)) {
                    setExclusiveOwnerThread(current);
                    return true;
                }
            } else if (current == getExclusiveOwnerThread()) {
                int nextc = c + acquires;
                if (nextc < 0) // overflow
                    throw new Error("Maximum lock count exceeded");
                setState(nextc);
                return true;
            }
            return false;
        }
    }
}

在 NonfairSync 中，lock() 方法首先尝试通过 CAS 操作直接获取锁，如果失败则调用 acquire(1)，这是 AQS 提供的模板方法，用于获取独占锁。在 FairSync 中，直接调用 acquire(1) 来获取锁。

锁的释放

java

public void unlock() {
    sync.release(1);
}

abstract static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
        int c = getState() - releases;
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        boolean free = false;
        if (c == 0) {
            free = true;
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        setState(c);
        return free;
    }
}

unlock() 方法调用 sync.release(1) 来释放锁，release(1) 是 AQS 提供的模板方法，用于释放独占锁。在 tryRelease 方法中，通过减小锁的重入次数来释放锁，当重入次数为 0 时，真正释放锁。

具体应用场景

1. 高度竞争的共享资源访问：在多个线程频繁竞争同一资源的情况下，使用 ReentrantLock 可以提供更高效的锁机制，特别是当需要实现公平性时。

java

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class SharedResource {
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);  // 公平锁

    public void accessResource() {
        lock.lock();
        try {
            // 资源访问操作
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在访问资源");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        SharedResource resource = new SharedResource();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(resource::accessResource).start();
        }
    }
}

1. 实现读写锁：虽然 Java 提供了专门的 ReadWriteLock 接口和 ReentrantReadWriteLock 实现，但我们也可以通过 ReentrantLock 自己实现一个简单的读写锁。

java

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class SimpleReadWriteLock {
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private int readers = 0;

    public void readLock() {
        lock.lock();
        try {
            readers++;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void readUnlock() {
        lock.lock();
        try {
            readers--;
            if (readers == 0) {
                lock.notifyAll();
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void writeLock() {
        lock.lock();
        try {
            while (readers > 0) {
                lock.await();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }

    public void writeUnlock() {
        lock.unlock();
    }
}

1. 中断响应锁：ReentrantLock 提供了可中断的锁获取方法 lockInterruptibly()，允许线程在等待锁的过程中响应中断。

java

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class InterruptibleLockExample {
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void performTask() {
        try {
            lock.lockInterruptibly();  // 可中断的锁获取
            try {
                // 临界区代码
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 正在执行任务");
                Thread.sleep(2000);  // 模拟长时间操作
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
catch (InterruptedException e) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被中断");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        InterruptibleLockExample example = new InterruptibleLockExample();
        Thread t1 = new Thread(example::performTask);
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(1000);
                t1.interrupt();  // 中断线程t1
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

在这个示例中，performTask 方法使用 lockInterruptibly() 获取锁，这允许线程在等待锁的过程中响应中断。当线程 t2 中断线程 t1 时，线程 t1 能够响应中断并退出锁的等待。

1. 超时锁获取：ReentrantLock 提供了带超时的锁获取方法 tryLock(long timeout, TimeUnit unit)，允许线程在指定时间内尝试获取锁，如果超时则返回 false。

java

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class TimeoutLockExample {
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public void performTask() {
        try {
            if (lock.tryLock(2, TimeUnit.SECONDS)) {  // 带超时的锁获取
                try {
                    // 临界区代码
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取到锁并执行任务");
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            } else {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 获取锁超时");
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被中断");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        TimeoutLockExample example = new TimeoutLockExample();
        Thread t1 = new Thread(example::performTask);
        Thread t2 = new Thread(example::performTask);

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

在这个示例中，performTask 方法使用 tryLock 方法尝试在 2 秒内获取锁，如果超时则打印超时信息。这避免了线程长时间等待锁的情况。

1. 实现线程间的条件等待：ReentrantLock 提供了 Condition 对象，用于实现线程间的条件等待和通知机制。Condition 类似于 Object 的 wait 和 notify 方法，但提供了更灵活的功能，如指定多个条件变量。

java

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ConditionExample {
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition condition = lock.newCondition();
    private boolean ready = false;

    public void awaitTask() {
        lock.lock();
        try {
            while (!ready) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 等待条件");
                condition.await();  // 等待条件满足
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 条件满足，继续执行");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void signalTask() {
        lock.lock();
        try {
            ready = true;
            condition.signalAll();  // 通知所有等待的线程
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 通知所有等待的线程");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ConditionExample example = new ConditionExample();
        Thread t1 = new Thread(example::awaitTask);
        Thread t2 = new Thread(example::awaitTask);
        Thread t3 = new Thread(example::signalTask);

        t1.start();
        t2.start();
        try {
            Thread.sleep(1000);  // 确保t1和t2进入等待状态
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        t3.start();
    }
}

在这个示例中，awaitTask 方法使用 condition.await() 进行条件等待，signalTask 方法使用 condition.signalAll() 通知所有等待的线程。这展示了 ReentrantLock 如何通过条件变量实现线程间的条件等待和通知机制。

总结

CyclicBarrier 和 ReentrantLock 是 Java 并发编程中非常重要的工具类。CyclicBarrier 主要用于多个线程在某个固定点上进行同步，常用于并行计算结果的汇总和阶段性同步。ReentrantLock 提供了比 synchronized 更灵活和强大的锁机制，适用于各种复杂的同步需求，如高度竞争的共享资源访问、实现读写锁、中断响应锁、超时锁获取以及条件变量等功能。

理解这些工具类的内部原理和使用方法，有助于我们在实际开发中更好地进行并发编程，避免一些常见的并发问题。希望通过本文的讲解，能让您对 CyclicBarrier 和 ReentrantLock 有一个更深入的理解，并在实际开发中灵活应用。