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JAVA同步器CyclicBarrier

web 2025/7/5 16:21:00

CyclicBarrier（循环屏障）是 Java 并发包中用于 多线程协同 的工具类，允许多个线程相互等待，直到所有线程都到达某个屏障点（Barrier）后，再继续执行后续任务。其核心特点是 可重复使用，与 CountDownLatch 的一次性特性形成对比。

一、核心概念与使用场景

  • 核心功能：

    • 屏障点（Barrier）：线程调用 await() 后会被阻塞，直到所有线程都到达屏障点。

    • 可重复触发：当所有线程到达屏障点后，屏障自动重置，可继续复用。

    • 回调任务（可选）：当屏障被触发时，可执行预定义的 Runnable 任务（由最后一个到达屏障的线程执行）。

  • 典型场景：

    • 多阶段任务：如并行计算分片，每个阶段完成后同步数据。

    • 模拟并发测试：多个线程同时到达屏障后触发压力测试。

    • 迭代计算：多次循环中复用同一个屏障。

二、源码结构分析
1. 核心成员变量
public class CyclicBarrier {// 内部锁和条件变量private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();private final Condition trip = lock.newCondition();// 屏障的参与者数量（固定值）private final int parties;// 屏障触发时执行的回调任务（可为 null）private final Runnable barrierCommand;// 当前屏障的“代”（Generation），用于标识屏障是否被重置或破坏private Generation generation = new Generation();// 当前剩余等待的线程数（初始值为 parties）private int count;
}
2. 内部类 Generation

记录屏障的当前“代”，用于检测屏障是否被重置或破坏：

private static class Generation {boolean broken = false; // 标识屏障是否被破坏
}
3. 核心方法实现
await()：线程到达屏障并等待其他线程
public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {try {return dowait(false, 0L);} catch (TimeoutException toe) {throw new Error(toe); // 不会发生（无超时逻辑）}
}// 核心等待逻辑
private int dowait(boolean timed, long nanos)throws InterruptedException, BrokenBarrierException, TimeoutException {final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lock(); // 加锁try {final Generation g = generation;// 检查屏障是否被破坏if (g.broken) throw new BrokenBarrierException();// 如果线程被中断，则破坏屏障并抛出异常if (Thread.interrupted()) {breakBarrier();throw new InterruptedException();}int index = --count; // 剩余等待线程数减 1if (index == 0) {    // 最后一个线程到达屏障Runnable command = barrierCommand;if (command != null) {try {command.run(); // 执行回调任务（无新线程，由当前线程执行）} catch (Throwable ex) {breakBarrier(); // 执行异常则破坏屏障throw ex;}}reset(); // 重置屏障（生成新 Generation，count=parties）return 0;}// 非最后一个线程：循环等待直到屏障触发或超时for (;;) {try {if (!timed) {trip.await(); // 阻塞等待} else {if (nanos > 0L) {nanos = trip.awaitNanos(nanos); // 超时等待}}} catch (InterruptedException ie) {if (g == generation && !g.broken) {breakBarrier(); // 中断时破坏屏障throw ie;} else {Thread.currentThread().interrupt(); // 保留中断状态}}// 检查屏障是否被破坏if (g.broken) throw new BrokenBarrierException();// 如果 Generation 已更新，说明屏障已重置，返回剩余索引if (g != generation) return index;// 超时处理if (timed && nanos <= 0L) {breakBarrier();throw new TimeoutException();}}} finally {lock.unlock(); // 释放锁}
}
reset()：手动重置屏障
public void reset() {final ReentrantLock lock = this.lock;lock.lock();try {breakBarrier();   // 破坏当前屏障resetInternal();  // 生成新 Generation} finally {lock.unlock();}
}// 重置内部状态
private void resetInternal() {generation = new Generation(); // 创建新 Generationcount = parties;               // 重置计数器
}
breakBarrier()：破坏屏障并唤醒所有线程
private void breakBarrier() {generation.broken = true; // 标记屏障为破坏状态count = parties;          // 重置计数器（为了后续可能的重置）trip.signalAll();         // 唤醒所有等待线程
}
三、代码示例与执行流程
示例代码：3 个线程在屏障处同步
public class CyclicBarrierDemo {public static void main(String[] args) {CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3, () -> {System.out.println("所有线程到达屏障，执行回调任务");});for (int i = 0; i < 3; i++) {new Thread(() -> {try {System.out.println("线程到达屏障前");barrier.await(); // 等待其他线程System.out.println("线程通过屏障后");} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}).start();}}
}
执行流程：

  1. 初始化：屏障的 parties=3，count=3。

  2. 线程调用 await()：

    • 每个线程进入 dowait()，count 依次递减为 2 → 1 → 0。

    • 当最后一个线程（count=0）到达时：

      • 执行回调任务（若有）。

      • 调用 reset()：生成新的 Generation，重置 count=parties。

      • 唤醒所有等待线程。

  3. 唤醒后：所有线程继续执行后续逻辑。

四、关键设计细节

  1. 可重用性：

    • 通过 reset() 方法生成新的 Generation，重置计数器 count=parties。

    • 与 CountDownLatch 不同，无需重新创建对象即可多次使用。

  2. 中断与异常处理：

    • 若等待线程被中断，会调用 breakBarrier() 破坏屏障，并抛出 InterruptedException。

    • 回调任务执行异常会导致屏障被破坏。

  3. 超时机制：

    • 支持 await(timeout, unit) 方法，超时后破坏屏障并抛出 TimeoutException。

  4. 线程安全：

    • 通过 ReentrantLock 和 Condition 实现同步，确保状态修改的原子性。

五、注意事项

  1. 避免死锁：

    • 确保参与线程数等于 parties，否则线程会永久阻塞。

    • 若某个线程未调用 await()，其他线程将无法继续。

  2. 屏障破坏处理：

    • 当屏障被破坏（BrokenBarrierException）后，必须调用 reset() 才能再次使用。

  3. 回调任务执行：

    • 回调任务由最后一个到达屏障的线程执行，需避免耗时操作阻塞其他线程。

  4. 性能开销：

    • 频繁创建 CyclicBarrier 可能影响性能，建议合理设计 parties 数量。

六、与 CountDownLatch 对比
特性CyclicBarrierCountDownLatch
重置性可重复使用一次性
等待方向子等子（全员到齐）主等子
底层实现ReentrantLock + ConditionAQS 共享锁
异常处理自动破坏屏障需手动确保计数
回调任务支持不支持

总结

  • 核心原理：基于 ReentrantLock 和 Condition 实现线程阻塞与唤醒，通过 Generation 管理屏障状态。

  • 适用场景：多线程分阶段协同、可重复触发的同步需求。

  • 源码关键：dowait() 方法控制线程等待与唤醒，reset() 实现屏障重置，Generation 标识屏障生命周期。

http://www.xdnf.cn/news/1406.html

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