【JUC】JDK1.8源码分析之CyclicBarrier（四）

一、前言

　　有了前面分析的基础，现在，接着分析CyclicBarrier源码，CyclicBarrier类在进行多线程编程时使用很多，比如，你希望创建一组任务，它们并行执行工作，然后在进行下一个步骤之前等待，直至所有的任务都完成，和join很类似，下面，开始分析源码。

二、CyclicBarrier数据结构

　　分析源码可以知道，CyclicBarrier底层是基于ReentrantLock和AbstractQueuedSynchronizer来实现的，所以，CyclicBarrier的数据结构也依托于AQS的数据结构，在前面对AQS的分析中已经指出了其数据结构，在这里不再累赘。

三、CyclicBarrier源码分析

　　3.1 类的继承关系

public class CyclicBarrier {}

　　说明：可以看到CyclicBarrier没有显示继承哪个父类或者实现哪个父接口，根据Java语言规定，可知其父类是Object。

　　3.2 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。

　　3.3 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;
}

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　　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。

　　3.4 类的构造函数

　　1. 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;
    }

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　　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。

　　2. 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);
    }

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　　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。

　　3.5 核心函数分析

　　1. 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();
        }
    }

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　　说明：dowait方法的逻辑会进行一系列的判断，大致流程如下。

　　2. 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();
    }

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　　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队列头结点
            Node first = firstWaiter;
            if (first != null) // 头结点不为空
                // 唤醒所有等待线程
                doSignalAll(first);
        }

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　　说明：此函数判断头结点是否为空，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队列的头结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);
        }

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　　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;
    }

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　　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())) // 头结点为空，并设置头结点为新生成的结点
                    tail = head; // 头结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
                }
            }
        }
    }

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　　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，之后会通过一个例子详细讲解。

　　3. 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();
    }

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　　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。

四、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　　

package com.hust.grid.leesf.cyclicbarrier;

import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
/**
 * 
 * @author leesf
 * @time   2016.4.16
 */
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。

　　① 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。

　　② 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。

　　③ 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。

　　④ 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。

　　⑤ 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。头结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。

五、总结

　　有了AQS与ReentrantLock的基础，分析CyclicBarrier就会非常简单，因为其底层就是由两者支撑的，关于CycylicBarrier的源码就分析到此，有疑问的读者，欢迎交流，谢谢各位园友的观看~