并发同步工具CyclicBarrier详解(概念、原理、作用、用法)

在Java并发编程中，如何高效地协调多个线程的执行是一个常见且复杂的问题。本文将详细介绍Java并发包中的CyclicBarrier工具类，探讨它的概念、原理、作用及用法。无论你是初学者还是有经验的开发者，通过这篇文章，你将对CyclicBarrier有更深入的理解，并能在实际项目中灵活运用。

一、CyclicBarrier概念

CyclicBarrier译为“循环栅栏”，是Java提供的一种同步辅助类，允许一组线程互相等待，直到所有线程都到达某个公共的屏障点（BarrierPoint）后再同时继续执行。这种机制确保了所有参与的线程能够在某个共同点上同步，避免出现某些线程提前进入下一步操作的情况。

主要特点

二、工作原理

CyclicBarrier内部通过计数器来实现其功能。以下是其工作流程的详细说明：

创建一个CyclicBarrier对象时，需要指定参与同步的线程数量（parties数量）。这个数量决定了有多少个线程必须到达屏障点，才能继续执行后续操作。

intparties=3;
CyclicBarrierbarrier=newCyclicBarrier(parties);

当一个线程调用CyclicBarrier的await()方法时，该线程将被阻塞，直至所有指定的线程都到达屏障点。每当一个线程到达屏障点时，计数器减1。

barrier.await();//当前线程将在此处等待其他线程

当最后一个线程到达屏障点时，计数器归零，所有被阻塞的线程将被唤醒，并从await()方法返回，然后同时继续执行后续的代码。

可以在CyclicBarrier构造函数中传入一个Runnable对象，表示所有线程到达屏障点时要执行的任务。这个Runnable对象在所有线程都被唤醒之前执行。

CyclicBarrierbarrier=newCyclicBarrier(parties,newRunnable()out.println("Allthreadshavereachedthebarrier");
}
});

如果在等待期间，某个线程发生中断或抛出异常，所有被阻塞的线程都将收到一个BrokenBarrierException异常。这可以防止因个别线程的问题而导致整个系统的死锁或不一致状态。

三、CyclicBarrier的作用

CyclicBarrier的主要作用是让一组线程在某个点上相互等待，直到所有线程都准备好后一起继续执行。这种机制特别适用于需要分阶段执行的任务，每个阶段都需要所有线程完成各自的工作后才能进入下一个阶段。例如，在一个并行计算任务中，可以将整个计算过程分为多个阶段，每个阶段结束后使用CyclicBarrier确保所有线程都完成当前阶段的工作，然后再一起进入下一个阶段。

四、使用方法和示例

下面是一个简单的示例，展示了如何使用CyclicBarrier来同步三个线程：

importjava.util.concurrent.BrokenBarrierException;
importjava.util.concurrent.CyclicBarrier;i<PARTIES;i++){
newThread(newWorker(i)).start();
}
}
staticclassWorkerimplementsRunnable{
privatefinalintthreadNum;
Worker(intthreadNum){
this.out.println("Thread"+threadNum+"iswaitingatthebarrier.");
barrier.await();
System.out.println("Thread"+threadNum+"haspassedthebarrier.");
}catch(InterruptedException|BrokenBarrierExceptione){
e.printStackTrace();
}
}
}
}

输出示例：

Thread0iswaitingatthebarrier.
Thread1iswaitingatthebarrier.
Thread2iswaitingatthebarrier.
Allthreadshavereachedthebarrier
Thread0haspassedthebarrier.
Thread1haspassedthebarrier.
Thread2haspassedthebarrier.

在这个示例中，三个线程分别在屏障点等待，当所有线程都到达后，打印出一条信息，然后继续执行。

在实际应用中，你可能希望所有线程到达屏障点后执行一些特定的逻辑，例如数据汇总或资源释放。这时可以使用CyclicBarrier的第二个构造函数，传入一个Runnable作为回调函数。所有线程到达屏障后的回调逻辑

System.out.println("Allthreadshavereachedthebarrier,performingcallback.");
}
});

假设我们有一个大型任务需要并行处理，我们可以将任务分解为多个子任务，每个子任务由一个线程完成。当所有子任务完成后，再进行结果合并。这种情况下，CyclicBarrier显得尤为重要。例如：

importjava.util.concurrent.BrokenBarrierException;
importjava.util.concurrent.CyclicBarrier;
importjava.util.List;
importjava.util.ArrayList;

publicclassParallelTask{
privatestaticfinalintPARTIES=3;
privatestaticfinalCyclicBarrierbarrier=newCyclicBarrier(PARTIES,newRunnprintln("Allsubtaskscompleted,mergingresults...i<PARTIES;i++){
finalintthreadIndex=i;
newThread(()->{
try{
intresult=doSubtask(threadIndex);
results.add(result);
barrier.await();//等待所有子任务完成
}catch(InterruptedException|BrokenBarrierExceptione){
e.printStackTrace();
}
}).start();
}
}
privatestaticintdoSubtask(intindex){
//模拟子任务的处理时间
try{
Thread.sleep((long)(Math.random()*1000));
}catch(InterruptedExceptione){
Thread.currentThread().interrupt();
}
System.out.println("Subtask"+index+"completedwithresult:"+(index*index));
returnindex*index;
}
}

在这个例子中，我们将大任务分解为三个子任务，每个子任务由一个独立的线程完成。所有子任务完成后，通过CyclicBarrier的回调函数进行结果合并。这样可以确保所有子任务的结果都已准备好，然后再进行下一步操作。
CyclicBarrier是Java并发包提供的一种强大的同步工具，适用于需要在多个线程间进行协调的场景。其主要特点包括循环使用、多线程等待与协同以及可选的屏障动作。通过合理应用CyclicBarrier，可以大大简化多线程程序的复杂性，提高系统的稳定性和可靠性。