前言
在多线程编程中，同步工具是确保线程之间协同工作的重要组成部分。
CyclicBarrier（循环屏障）是Java中的一个强大的同步工具，它允许一组线程在达到某个共同点之前互相等待。
在本文中，我们将深入探讨CyclicBarrier的源码实现以及提供一些示例，以帮助您更好地理解和应用这个有趣的同步工具。
CyclicBarrier源码解析以及示例
主要成员变量
public class CyclicBarrier {
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private final Condition trip = lock.newCondition();
private final int parties;
private int count;
private final Runnable barrierCommand;
}
-
lock: 用于控制并发访问的重入锁。 -
trip: 条件变量，用于在屏障点上等待。 -
parties: 表示需要等待的线程数。 -
count: 表示当前已经到达屏障点的线程数。 -
barrierCommand: 在所有线程到达屏障点之后执行的命令，可以为null。
核心方法
await方法
public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
try {
lock.lock();
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
int index = --count;
if (index == 0) { // 如果是最后一个到达的线程
boolean ranAction = false;
try {
final Runnable command = barrierCommand;
if (command != null)
command.run();
ranAction = true;
return 0;
} finally {
if (!ranAction)
breakBarrier(); // 执行失败，重置屏障状态
}
}
while (index > 0) {
try {
trip.await();
} catch (InterruptedException ie) {
if (index == 1 && !broken)
breakBarrier();
throw ie;
}
}
if (broken)
throw new BrokenBarrierException();
return index;
} finally {
lock.unlock();
}
}
上述代码主要完成以下几个任务：
- 减小计数器，表示有一个线程到达了屏障点。
- 如果是最后一个到达的线程，执行屏障命令（如果有），然后唤醒所有等待的线程。
- 如果不是最后一个到达的线程，进入等待状态，直到被唤醒。
- 处理中断异常和屏障破坏异常。
应用场景
任务分解与合并
当一个大任务可以分解为多个子任务，每个子任务独立执行，但在某个点上需要等待所有子任务完成后再继续执行父任务。CyclicBarrier可以用来同步这些子任务的执行，确保它们在特定的屏障点上等待，然后一起继续执行。
应用示例
假设我们有一个大型的数据处理任务，需要将数据分解为若干子任务并行处理，然后在所有子任务完成后进行结果的合并。CyclicBarrier 可以用来同步子任务的执行，确保在所有子任务都完成后再进行合并操作。
import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
public class TaskDecompositionAndMergeExample {
private static final int NUM_SUBTASKS = 3;
private static final CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(NUM_SUBTASKS, () -> {
System.out.println("All subtasks have been completed. Merging results...");
});
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < NUM_SUBTASKS; i++) {
final int subtaskId = i;
new Thread(() -> {
// Perform individual subtask
System.out.println("Subtask " + subtaskId + " is processing.");
// Simulate some computation for the subtask
try {
Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Subtask " + subtaskId + " has completed.");
try {
// Wait for all subtasks to complete
barrier.await();
} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
}
}
}
并行计算
在并行计算中，当多个计算节点完成局部计算后，需要将它们的结果合并。CyclicBarrier可以用来等待所有计算节点完成局部计算，然后执行合并操作。
应用示例
import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
public class ParallelComputingExample {
private static final int NUM_THREADS = 4;
private static final CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(NUM_THREADS, () -> {
System.out.println("All threads have completed the computation. Merging results...");
});
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
final int threadId = i;
new Thread(() -> {
// Perform individual computation
System.out.println("Thread " + threadId + " is performing computation.");
// Simulate some computation for the thread
try {
Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Thread " + threadId + " has completed computation.");
try {
// Wait for all threads to complete computation
barrier.await();
} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
}
}
}
游戏开发
在多线程游戏开发中，可能存在多个线程分别负责不同的任务，比如渲染、物理模拟、AI计算等。
在每一帧结束时，这些线程需要同步，确保下一帧开始时所有任务都已完成。CyclicBarrier可以在每一帧结束时等待所有任务完成，然后统一开始下一帧的计算。
比如我们在打匹配游戏的时候，十个人必须全部加载到100%，才可以开局。否则只要有一个人没有加载到100%,那这个游戏就不能开始。先加载完成的玩家必须等待最后一个玩家加载成功才可以。
应用示例
public class CyclicBarrierDemo {
private static CyclicBarrier cyclicBarrier;
static class CyclicBarrierThread extends Thread{
@Override
public void run() {
System.out.println("玩家 " + Thread.currentThread().getName() + " 加载100%");
//等待
try {
cyclicBarrier.await();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public static void main(String[] args){
cyclicBarrier = new CyclicBarrier(10, new Runnable() {
public void run() {
System.out.println("玩家都加载好了，开始游戏....");
}
});
for(int i = 0 ; i < 10 ; i++){
new CyclicBarrierThread().start();
}
}
}
输出结果
玩家 Thread-0 加载100%
玩家 Thread-2 加载100%
玩家 Thread-3 加载100%
玩家 Thread-6 加载100%
玩家 Thread-1 加载100%
玩家 Thread-4 加载100%
玩家 Thread-5 加载100%
玩家 Thread-8 加载100%
玩家 Thread-7 加载100%
玩家 Thread-9 加载100%
玩家都加载好了，开始游戏....
数据加载
在某些应用中，可能需要同时加载多个数据源，但要确保所有数据加载完成后再继续执行。CyclicBarrier可以用来等待所有数据加载完成，然后执行后续操作。
应用示例
import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
public class DataLoaderExample {
private static final int NUM_THREADS = 3;
private static final CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(NUM_THREADS, () -> {
System.out.println("All data loading threads have completed. Initiating further processing...");
});
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
final int threadId = i;
new Thread(() -> {
// Simulate data loading
System.out.println("Thread " + threadId + " is loading data.");
// Simulate data loading time
try {
Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("Thread " + threadId + " has completed data loading.");
try {
// Wait for all data loading threads to complete
barrier.await();
} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
// Perform further processing after data loading is complete
System.out.println("Thread " + threadId + " is performing further processing.");
}).start();
}
}
}
并发工具的协同
CyclicBarrier可以与其他并发工具一起使用，例如 ExecutorService 和 CountDownLatch，以实现更复杂的多线程控制逻辑。
应用示例
import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
public class CyclicBarrierExample {
private static final int NUM_THREADS = 3;
private static final CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(NUM_THREADS, () -> {
System.out.println("All threads have reached the barrier. Let's continue!");
});
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
new Thread(() -> {
try {
// Perform individual tasks
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is performing individual tasks.");
// Wait for all threads to reach the barrier
barrier.await();
// Continue with collective tasks after reaching the barrier
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is performing collective tasks.");
} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
}
}
}
CyclicBarrier和CountDownLatch的区别
循环性：
-
CyclicBarrier具有循环的特性，可以被重复使用。一旦所有线程都到达屏障点，它会自动重置并再次等待下一轮。这使得CyclicBarrier更适合用于一组线程多次协同工作的场景。 -
CountDownLatch是一次性的，一旦计数到达零，就无法重新设置。如果需要多次等待，就需要创建新的CountDownLatch实例。
计数器的变化：
- 在
CyclicBarrier中，计数器的递减是由到达屏障点的线程执行的，而且在所有线程都到达之前，任何线程都不会继续执行。 - 在
CountDownLatch中，计数器的递减是由任意线程执行的，而且线程在递减计数器后可以继续执行，不必等待其他线程。
用途：
-
CyclicBarrier通常用于一组线程并行执行任务，然后在某个点上等待彼此，然后再一起继续执行下一轮任务。例如，任务分解与合并、并行计算等场景。 -
CountDownLatch用于等待一组线程完成某个任务后再执行其他任务。例如，主线程等待所有工作线程完成工作后再继续执行。
构造函数参数：
-
CyclicBarrier的构造函数需要指定参与同步的线程数，以及在屏障点上执行的可选操作（Runnable）。 -
CountDownLatch的构造函数需要指定计数的初始值。
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总结
通过本文，我们深入了解了CyclicBarrier的源码实现，并通过一个简单的示例演示了它的用法。
CyclicBarrier是一个强大的同步工具，可以帮助我们实现复杂的多线程协同任务。
在多线程编程中，理解和熟练使用这样的同步工具是至关重要的，能够确保线程之间的协同工作更加高效和可靠。
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