Java多線程同步工具類CyclicBarrier的使用

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CyclicBarrier是什麼

CyclicBarrier是Java並發包中提供的一種同步工具類，它可以讓多個線程在某個屏障處等待，直到所有線程都到達該屏障處才繼續執行。CyclicBarrier的實現原理是基於ReentrantLock和Condition實現的，通過多次調用await()方法來實現線程的等待和喚醒。

CyclicBarrier的基本使用方法

CyclicBarrier的基本使用方法非常簡單，隻需要創建一個CyclicBarrier對象，並將計數器的值設置為等待的線程數。每個線程執行完畢後，調用CyclicBarrier的await()方法等待其他線程執行完畢，當所有線程都到達屏障處時，屏障將被打開，所有線程將繼續執行。

CyclicBarrier的源碼實現

CyclicBarrier的實現原理是基於ReentrantLock和Condition實現的，通過多次調用await()方法來實現線程的等待和喚醒。CyclicBarrier的源碼實現主要包括兩部分：屏障的初始化和屏障的等待和喚醒。

（1）CyclicBarrier的初始化

在創建CyclicBarrier對象時，需要指定等待的線程數和屏障的執行操作。CyclicBarrier對象的構造方法如下：

public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)

其中，parties表示等待的線程數，barrierAction表示屏障執行的操作。

在構造方法中，會根據等待的線程數創建一個parties大小的ReentrantLock數組和一個Condition對象。ReentrantLock數組用來保證多個線程能夠同時到達屏障處並等待，Condition對象用來進行線程的等待和喚醒。

（2）CyclicBarrier的等待和喚醒

當線程執行到await()方法時，會首先嘗試獲取ReentrantLock對象的鎖，如果獲取失敗，線程會被加入到等待隊列中等待鎖的釋放。當獲取到鎖後，線程會判斷當前的計數器是否已經達到等待的線程數，如果是，則執行屏障的操作並將計數器重置為parties，喚醒等待隊列中的所有線程。如果計數器未達到等待的線程數，則線程會被加入到等待隊列中等待其他線程的到來。

CyclicBarrier的await()方法源碼如下：

public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
    try {
        // 獲取鎖
        lock.lock();
        // 計數器減1
        int index = --count;
        if (index == 0) {
            // 如果計數器為0，執行屏障操作並喚醒等待隊列中的所有線程
            final Runnable command = barrierCommand;
            if (command != null) {
                command.run();
            }
            next
        trip.signalAll();
    } else {
        try {
            // 等待其他線程到達屏障處
            int phase = generation;
            trip.await();
            // 如果是最後一個到達屏障的線程，執行屏障操作並喚醒等待隊列中的所有線程
            if (phase == generation) {
                command = barrierCommand;
                if (command != null) {
                    command.run();
                }
            }
            // 計數器重置
            nextGeneration();
        } catch (InterruptedException ie) {
            // 如果線程在等待時被中斷，拋出InterruptedException異常
            cancel();
            throw ie;
        } catch (BrokenBarrierException bbe) {
            // 如果屏障被破壞，拋出BrokenBarrierException異常
            broken = true;
            trip = new Condition[parties];
            throw bbe;
        }
    }
    return index;
} finally {
    // 釋放鎖
    lock.unlock();
}
}

在CyclicBarrier的await()方法中，首先獲取ReentrantLock對象的鎖，並將計數器減1。如果計數器為0，則執行屏障的操作並喚醒等待隊列中的所有線程，如果計數器不為0，則等待其他線程到達屏障處。

在等待過程中，如果線程被中斷，將拋出InterruptedException異常。如果屏障被破壞，將拋出BrokenBarrierException異常。如果是最後一個到達屏障的線程，將執行屏障的操作並喚醒等待隊列中的所有線程，並將計數器重置為parties。

CyclicBarrier的使用場景

CyclicBarrier適用於多個線程需要等待彼此到達某個屏障點後再繼續執行的場景。例如，多個線程需要同時執行某個任務，但某個任務需要等待其他任務完成後才能繼續執行，這時就可以使用CyclicBarrier來實現線程的同步和協作。

另外，CyclicBarrier也可以用來實現流水線式的處理，例如生產者消費者模式中，多個生產者可以同時向隊列中添加數據，當隊列滿時，所有生產者需要等待消費者處理完數據後再繼續添加數據。

總結

CyclicBarrier是Java並發包中提供的一種同步工具類，可以讓多個線程在某個屏障處等待，直到所有線程都到達該屏障處才繼續執行。CyclicBarrier的實現原理是基於ReentrantLock和Condition實現的，通過多次調用await()方法來實現線程的等待和喚醒。CyclicBarrier適用於多個線程需要等待彼此到達某個屏障點後再繼續執行的場景。

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