Java并发32:CyclicBarrier的基本方法和应用场景实例

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本章主要对CyclicBarrier进行学习。

1.CyclicBarrier简介

CyclicBarrier,是JDK1.5java.util.concurrent并发包中提供的一个并发工具类。

所谓Cyclic循环 的意思,所谓Barrier屏障 的意思。

所以综合起来,CyclicBarrier指的就是 循环屏障,虽然这个叫法很奇怪,但是确能很好地表示它的作用。

其作用在JDK注释中是这样描述的:

A synchronization aid that allows a set of threads to all wait for each other to reach a common barrier point.
CyclicBarriers are useful in programs involving a fixed sized party of threads that must occasionally wait for each other.
The barrier is called cyclic because it can be re-used after the waiting threads are released.

翻译过来,如下:

  • CyclicBarrier是一个同步辅助类,它允许一组线程相互等待直到所有线程都到达一个公共的屏障点。
  • 在程序中有固定数量的线程,这些线程有时候必须等待彼此,这种情况下,使用CyclicBarrier很有帮助。
  • 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。

CyclicBarrier的简单理解

其实,我更喜欢[人满发车]这个词来理解CyclicBarrier的作用:

  • 长途汽车站提供长途客运服务。
  • 当等待坐车的乘客到达20人时,汽车站就会发出一辆长途汽车,让这20个乘客上车走人。
  • 等到下次等待的乘客又到达20人是,汽车站就会又发出一辆长途汽车。

CyclicBarrier的应用场景

CyclicBarrier常用于多线程分组计算

2.CyclicBarrier方法说明

CyclicBarrier提供的方法有:

——CyclicBarrier(parties)

初始化相互等待的线程数量的构造方法。

——CyclicBarrier(parties,Runnable barrierAction)

初始化相互等待的线程数量以及屏障线程的构造方法。

屏障线程的运行时机:等待的线程数量=parties之后,CyclicBarrier打开屏障之前。

举例:在分组计算中,每个线程负责一部分计算,最终这些线程计算结束之后,交由屏障线程进行汇总计算。

——getParties()

获取CyclicBarrier打开屏障的线程数量,也成为方数

——getNumberWaiting()

获取正在CyclicBarrier上等待的线程数量。

——await()

CyclicBarrier上进行阻塞等待,直到发生以下情形之一:

  • CyclicBarrier上等待的线程数量达到parties,则所有线程被释放,继续执行。
  • 当前线程被中断,则抛出InterruptedException异常,并停止等待,继续执行。
  • 其他等待的线程被中断,则当前线程抛出BrokenBarrierException异常,并停止等待,继续执行。
  • 其他等待的线程超时,则当前线程抛出BrokenBarrierException异常,并停止等待,继续执行。
  • 其他线程调用CyclicBarrier.reset()方法,则当前线程抛出BrokenBarrierException异常,并停止等待,继续执行。

——await(timeout,TimeUnit)

CyclicBarrier上进行限时的阻塞等待,直到发生以下情形之一:

  • CyclicBarrier上等待的线程数量达到parties,则所有线程被释放,继续执行。
  • 当前线程被中断,则抛出InterruptedException异常,并停止等待,继续执行。
  • 当前线程等待超时,则抛出TimeoutException异常,并停止等待,继续执行。
  • 其他等待的线程被中断,则当前线程抛出BrokenBarrierException异常,并停止等待,继续执行。
  • 其他等待的线程超时,则当前线程抛出BrokenBarrierException异常,并停止等待,继续执行。
  • 其他线程调用CyclicBarrier.reset()方法,则当前线程抛出BrokenBarrierException异常,并停止等待,继续执行。

——isBroken()

获取是否破损标志位broken的值,此值有以下几种情况:

  • CyclicBarrier初始化时,broken=false,表示屏障未破损。
  • 如果正在等待的线程被中断,则broken=true,表示屏障破损。
  • 如果正在等待的线程超时,则broken=true,表示屏障破损。
  • 如果有线程调用CyclicBarrier.reset()方法,则broken=false,表示屏障回到未破损状态。

——reset()

使得CyclicBarrier回归初始状态,直观来看它做了两件事:

  • 如果有正在等待的线程,则会抛出BrokenBarrierException异常,且这些线程停止等待,继续执行。
  • 将是否破损标志位broken置为false。

3.CyclicBarrier方法练习

3.1.练习一

练习目的:

  • 了解CyclicBarrier(parties)/getParties()/await()/getNumberWaiting()的基本用法。
  • 理解循环的意义。

示例代码:

 //构造函数1:初始化-开启屏障的方数
CyclicBarrier barrier0 = new CyclicBarrier(2);
//通过barrier.getParties()获取开启屏障的方数
LOGGER.info("barrier.getParties()获取开启屏障的方数:" + barrier0.getParties());
System.out.println();
//通过barrier.getNumberWaiting()获取正在等待的线程数
LOGGER.info("通过barrier.getNumberWaiting()获取正在等待的线程数:初始----" + barrier0.getNumberWaiting());
System.out.println();
new Thread(() -> {
    //添加一个等待线程
    LOGGER.info("添加第1个等待线程----" + Thread.currentThread().getName());
    try {
        barrier0.await();
        LOGGER.info(Thread.currentThread().getName() + " is running...");
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } catch (BrokenBarrierException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    LOGGER.info(Thread.currentThread().getName() + " is terminated.");
}).start();
Thread.sleep(10);
//通过barrier.getNumberWaiting()获取正在等待的线程数
LOGGER.info("通过barrier.getNumberWaiting()获取正在等待的线程数:添加第1个等待线程---" + barrier0.getNumberWaiting());
Thread.sleep(10);
System.out.println();
new Thread(() -> {
    //添加一个等待线程
    LOGGER.info("添加第2个等待线程----" + Thread.currentThread().getName());
    try {
        barrier0.await();
        LOGGER.info(Thread.currentThread().getName() + " is running...");
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } catch (BrokenBarrierException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    LOGGER.info(Thread.currentThread().getName() + " is terminated.");
}).start();
Thread.sleep(100);
System.out.println();
//通过barrier.getNumberWaiting()获取正在等待的线程数
LOGGER.info("通过barrier.getNumberWaiting()获取正在等待的线程数:打开屏障之后---" + barrier0.getNumberWaiting());

//已经打开的屏障,再次有线程等待的话,还会重新生效--视为循环
new Thread(() -> {
    LOGGER.info("屏障打开之后,再有线程加入等待:" + Thread.currentThread().getName());
    try {
        //BrokenBarrierException
        barrier0.await();
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } catch (BrokenBarrierException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    LOGGER.info(Thread.currentThread().getName() + " is terminated.");

}).start();
System.out.println();
Thread.sleep(10);
LOGGER.info("通过barrier.getNumberWaiting()获取正在等待的线程数:打开屏障之后---" + barrier0.getNumberWaiting());
Thread.sleep(10);
new Thread(() -> {
    LOGGER.info("屏障打开之后,再有线程加入等待:" + Thread.currentThread().getName());
    try {
        //BrokenBarrierException
        barrier0.await();
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    } catch (BrokenBarrierException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    LOGGER.info(Thread.currentThread().getName() + " is terminated.");

}).start();
Thread.sleep(10);
LOGGER.info("通过barrier.getNumberWaiting()获取正在等待的线程数:打开屏障之后---" + barrier0.getNumberWaiting());

运行结果:

2018-04-01 13:27:55 INFO - barrier.getParties()获取开启屏障的方数:2

2018-04-01 13:27:55 INFO - 通过barrier.getNumberWaiting()获取正在等待的线程数:初始----0

2018-04-01 13:27:55 INFO - 添加第1个等待线程----Thread-0
2018-04-01 13:27:55 INFO - 通过barrier.getNumberWaiting()获取正在等待的线程数:添加第1个等待线程---1

2018-04-01 13:27:55 INFO - 添加第2个等待线程----Thread-1
2018-04-01 13:27:55 INFO - Thread-1 is running...
2018-04-01 13:27:55 INFO - Thread-0 is running...
2018-04-01 13:27:55 INFO - Thread-1 is terminated.
2018-04-01 13:27:55 INFO - Thread-0 is terminated.

2018-04-01 13:27:55 INFO - 通过barrier.getNumberWaiting()获取正在等待的线程数:打开屏障之后---0

2018-04-01 13:27:55 INFO - 屏障打开之后,再有线程加入等待:Thread-2
2018-04-01 13:27:55 INFO - 通过barrier.getNumberWaiting()获取正在等待的线程数:打开屏障之后---1
2018-04-01 13:27:55 INFO - 屏障打开之后,再有线程加入等待:Thread-3
2018-04-01 13:27:55 INFO - Thread-3 is terminated.
2018-04-01 13:27:55 INFO - Thread-2 is terminated.
2018-04-01 13:27:55 INFO - 通过barrier.getNumberWaiting()获取正在等待的线程数:打开屏障之后---0

从运行结果,可以更好的理解循环的意义。

3.2.练习二

练习目的:

  • 熟悉reset()的用法
  • 理解回归初始状态的意义

实例代码:

CyclicBarrier barrier2 = new CyclicBarrier(2);
//如果是一个初始的CyclicBarrier,则reset()之后,什么也不会发生
LOGGER.info("如果是一个初始的CyclicBarrier,则reset()之后,什么也不会发生");
barrier2.reset();
System.out.println();

Thread.sleep(100);
//如果是一个已经打开一次的CyclicBarrier,则reset()之后,什么也不会发生
ExecutorService executorService2 = Executors.newCachedThreadPool();
//等待两次
for (int i = 0; i < 2; i++) {
    executorService2.submit(() -> {
        try {
            barrier2.await();
            LOGGER.info("222屏障已经打开.");
        } catch (InterruptedException e) {
            //e.printStackTrace();
            LOGGER.info("222被中断");
        } catch (BrokenBarrierException e) {
            //e.printStackTrace();
            LOGGER.info("222被重置");
        }
    });
}
barrier2.reset();

Thread.sleep(100);
System.out.println();
//如果是一个 有线程正在等待的线程,则reset()方法会使正在等待的线程抛出异常
executorService2.submit(() -> {
    executorService2.submit(() -> {
        try {
            barrier2.await();
            LOGGER.info("333屏障已经打开.");
        } catch (InterruptedException e) {
            //e.printStackTrace();
            LOGGER.info("333被中断");
        } catch (BrokenBarrierException e) {
            LOGGER.info("在等待过程中,执行reset()方法,等待的线程抛出BrokenBarrierException异常,并不再等待");
            //e.printStackTrace();
        }
    });
});
Thread.sleep(100);
barrier2.reset();
executorService2.shutdown();
break;

执行结果:

2018-04-01 16:53:12 INFO - 如果是一个初始的CyclicBarrier,则reset()之后,什么也不会发生

2018-04-01 16:53:13 INFO - 222屏障已经打开.
2018-04-01 16:53:13 INFO - 222屏障已经打开.

2018-04-01 16:53:13 INFO - 在等待过程中,执行reset()方法,等待的线程跑出BrokenBarrierException异常,并不再等待

3.3.练习三

练习目的:

  • 练习await()/await(timeout,TimeUnit)/isBroken()的使用方法
  • 理解破损标志位broken的状态转换

实例代码:

CyclicBarrier barrier1 = new CyclicBarrier(3);
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
//添加一个用await()等待的线程
executorService.submit(() -> {
    try {
        //等待,除非:1.屏障打开;2.本线程被interrupt;3.其他等待线程被interrupted;4.其他等待线程timeout;5.其他线程调用reset()
        barrier1.await();
    } catch (InterruptedException e) {
        LOGGER.info(Thread.currentThread().getName() + " is interrupted.");
        //e.printStackTrace();
    } catch (BrokenBarrierException e) {
        LOGGER.info(Thread.currentThread().getName() + " is been broken.");
        //e.printStackTrace();
    }
});
Thread.sleep(10);
LOGGER.info("刚开始,屏障是否破损:" + barrier1.isBroken());
//添加一个等待线程-并超时
executorService.submit(() -> {
    try {
        //等待1s,除非:1.屏障打开(返回true);2.本线程被interrupt;3.本线程timeout;4.其他等待线程被interrupted;5.其他等待线程timeout;6.其他线程调用reset()
        barrier1.await(1, TimeUnit.SECONDS);
    } catch (InterruptedException e) {
        LOGGER.info(Thread.currentThread().getName() + " is interrupted.");
        //e.printStackTrace();
    } catch (BrokenBarrierException e) {
        LOGGER.info(Thread.currentThread().getName() + " is been reset().");
        //e.printStackTrace();
    } catch (TimeoutException e) {
        LOGGER.info(Thread.currentThread().getName() + " is timeout.");
        //e.printStackTrace();
    }
});
Thread.sleep(100);
LOGGER.info("当前等待线程数量:" + barrier1.getNumberWaiting());
Thread.sleep(1000);
LOGGER.info("当前等待线程数量:" + barrier1.getNumberWaiting());
LOGGER.info("当等待的线程timeout时,当前屏障是否破损:" + barrier1.isBroken());
LOGGER.info("等待的线程中,如果有一个出现问题,则此线程会抛出相应的异常;其他线程都会抛出BrokenBarrierException异常。");

System.out.println();
Thread.sleep(5000);
//通过reset()重置屏障回初始状态,也包括是否破损
barrier1.reset();
LOGGER.info("reset()之后,当前屏障是否破损:" + barrier1.isBroken());
LOGGER.info("reset()之后,当前等待线程数量:" + barrier1.getNumberWaiting());
executorService.shutdown();

运行结果:

2018-04-01 17:01:16 INFO - 刚开始,屏障是否破损:false
2018-04-01 17:01:16 INFO - 当前等待线程数量:2
2018-04-01 17:01:17 INFO - pool-1-thread-1 is been broken.
2018-04-01 17:01:17 INFO - pool-1-thread-2 is timeout.
2018-04-01 17:01:17 INFO - 当前等待线程数量:0
2018-04-01 17:01:17 INFO - 当等待的线程timeout时,当前屏障是否破损:true
2018-04-01 17:01:17 INFO - 等待的线程中,如果有一个出现问题,则此线程会抛出相应的异常;其他线程都会抛出BrokenBarrierException异常。

2018-04-01 17:01:22 INFO - reset()之后,当前屏障是否破损:false
2018-04-01 17:01:22 INFO - reset()之后,当前等待线程数量:0

3.4.练习四

练习目的:

  • 练习CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)的用法
  • 理解屏障线程的意义

实例代码:

//构造器:设置屏障放开前做的事情
CyclicBarrier barrier3 = new CyclicBarrier(2, () -> {
    LOGGER.info("屏障放开,[屏障线程]先运行!");
    try {
        Thread.sleep(2000);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    LOGGER.info("[屏障线程]的事情做完了!");
});
for (int i = 0; i < 2; i++) {
    new Thread(() -> {
        LOGGER.info(Thread.currentThread().getName() + " 等待屏障放开");
        try {
            barrier3.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (BrokenBarrierException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        LOGGER.info(Thread.currentThread().getName() + "开始干活...干活结束");
    }).start();
}

运行结果:

2018-04-01 17:01:56 INFO - Thread-0 等待屏障放开
2018-04-01 17:01:56 INFO - Thread-1 等待屏障放开
2018-04-01 17:01:56 INFO - 屏障放开,[屏障线程]先运行!
2018-04-01 17:01:58 INFO - [屏障线程]的事情做完了!
2018-04-01 17:01:58 INFO - Thread-1开始干活...干活结束
2018-04-01 17:01:58 INFO - Thread-0开始干活...干活结束

4.应用场景

场景说明:

  • 模拟多线程分组计算
  • 有一个大小为50000的随机数组,用5个线程分别计算10000个元素的和
  • 然后在将计算结果进行合并,得出最后的结果。

重点分析:

  • 用5个线程分别计算:定义一个大小为5的线程池。
  • 计算结果进行合并:定义一个屏障线程,将上面5个线程计算的子结果信息合并。

实例代码:

/**
* 

CyclicBarrier-循环屏障-模拟多线程计算

* * @author hanchao 2018/3/29 22:48 **/
public static void main(String[] args) { //数组大小 int size = 50000; //定义数组 int[] numbers = new int[size]; //随机初始化数组 for (int i = 0; i < size; i++) { numbers[i] = RandomUtils.nextInt(100, 1000); } //单线程计算结果 System.out.println(); Long sum = 0L; for (int i = 0; i < size; i++) { sum += numbers[i]; } LOGGER.info("单线程计算结果:" + sum); //多线程计算结果 //定义线程池 ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(5); //定义五个Future去保存子数组计算结果 final int[] results = new int[5]; //定义一个循环屏障,在屏障线程中进行计算结果合并 CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5, () -> { int sums = 0; for (int i = 0; i < 5; i++) { sums += results[i]; } LOGGER.info("多线程计算结果:" + sums); }); //子数组长度 int length = 10000; //定义五个线程去计算 for (int i = 0; i < 5; i++) { //定义子数组 int[] subNumbers = Arrays.copyOfRange(numbers, (i * length), ((i + 1) * length)); //盛放计算结果 int finalI = i; executorService.submit(() -> { for (int j = 0; j < subNumbers.length; j++) { results[finalI] += subNumbers[j]; } //等待其他线程进行计算 try { barrier.await(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } catch (BrokenBarrierException e) { e.printStackTrace(); } }); } //关闭线程池 executorService.shutdown(); }

运行结果:

2018-04-01 17:05:47 INFO - 单线程计算结果:27487277
2018-04-01 17:05:47 INFO - 多线程计算结果:27487277

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