Java并发系列之CyclicBarrier源码分析

首先我要解释一下什么是CyclicBarrier。CyclicBarrier是一种在多线程中实现控制并发的同步工具，也可以看作是一种倒计数器。它的作用是允许一组线程在某个时刻全部到达一个屏障点，然后它们可以相互等待，直到所有的线程都到达这个屏障点后一起继续执行。我们可以使用Java的CyclicBarrier类来实现这个功能。

下面是这个攻略的详细步骤：

一、研究CyclicBarrier类

首先，我们需要了解CyclicBarrier类的一些基本知识，包括如何创建和使用它。可以在Java API文档中找到这些信息。我们需要注意的一点是，CyclicBarrier是线程安全的，因为它是在内部使用锁来保证同步的。

二、分析CyclicBarrier类的源代码

其次，我们需要仔细阅读CyclicBarrier类的源代码，了解它是如何实现同步的。我们可以看到，CyclicBarrier是通过一个ReentrantLock和两个Condition来实现同步的。ReentrantLock用于保证对屏障状态的访问是互斥的，而两个Condition则用于等待线程的通信。当所有线程都到达屏障点时，它们都会调用Condition的signalAll()方法来通知其他线程继续执行。这个过程就是屏障的实现。

三、理解CyclicBarrier的使用场景

我们需要理解CyclicBarrier的使用场景，通常情况下，CyclicBarrier的使用场景如下：

1. 一组线程需要等待所有线程都完成某个操作后再继续执行下面的代码，这个时候就可以使用CyclicBarrier。
2. 一个任务需要分成若干个小任务进行处理，这些小任务可以并行执行，但必须在某一个点上等待所有小任务完成，再继续执行下面的代码，这个时候也可以使用CyclicBarrier。

四、示例解析

最后，我们通过一些示例来说明如何使用CyclicBarrier。

1. 示例1

在这个示例中，假设有一个3个线程的服务队列需要处理某个任务，并且每个线程处理任务的时间是不一样的（模拟现实情况）。我们可以使用CyclicBarrier来保证当所有线程都处理完任务后再进行下一步处理。下面是示例代码：

public class ServiceQueue {
    private int workerCount = 3;
    private final CyclicBarrier barrier;
    private final ExecutorService executor;

    public ServiceQueue() {
        executor = Executors.newFixedThreadPool(workerCount);
        barrier = new CyclicBarrier(workerCount, this::processNextStep);
    }

    private void processNextStep() {
        System.out.println("All workers finished, process next step...");
    }

    public void runTask() {
        for (int i = 0; i < workerCount; i++) {
            executor.submit(new Worker(i, barrier));
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ServiceQueue queue = new ServiceQueue();
        queue.runTask();
    }
}

class Worker implements Runnable {
    private int id;
    private CyclicBarrier barrier;

    public Worker(int id, CyclicBarrier barrier) {
        this.id = id;
        this.barrier = barrier;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            Random random = new Random();
            int time = 1000 + random.nextInt(2000);
            System.out.println("Worker " + id + " is working...");
            Thread.sleep(time);
            System.out.println("Worker " + id + " finished the task.");
            barrier.await();
        } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

在这个示例中，我们创建了一个ServiceQueue类，它有一个runTask()方法，它启动3个Worker线程，每个Worker线程处理任务的时间是不一样的，然后每个线程在处理完任务后会调用CyclicBarrier的await()方法来等待其他线程。当所有线程都到达屏障点后，CyclicBarrier会自动调用processNextStep()方法来继续执行后面的代码（在这个示例中，它只是一个简单的输出语句）。

2. 示例2

在这个示例中，假设有一个数据集，需要用多个线程同时处理这个数据集，每个线程处理一个数据片段。我们可以使用CyclicBarrier来保证当所有线程都处理完自己的数据片段后再进行下一步处理。下面是示例代码：

public class DataProcessor {
    private int workerCount = 5;
    private int dataSize = 100;
    private int[] data = new int[dataSize];
    private int[] result = new int[dataSize];
    private final CyclicBarrier barrier;

    public DataProcessor() {
        for (int i = 0; i < dataSize; i++) {
            data[i] = i;
        }
        barrier = new CyclicBarrier(workerCount, this::sumResult);
    }

    private void sumResult() {
        int sum = 0;
        for (int i = 0; i < dataSize; i++) {
            sum += result[i];
        }
        System.out.println("Result: " + sum);
    }

    public void runTask() {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(workerCount);
        int segmentSize = dataSize / workerCount;
        for (int i = 0; i < workerCount; i++) {
            int startIndex = i * segmentSize;
            int endIndex = (i + 1) * segmentSize;
            if (i == workerCount - 1) {
                endIndex = dataSize;
            }
            executor.submit(new Worker(startIndex, endIndex, data, result, barrier));
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        DataProcessor processor = new DataProcessor();
        processor.runTask();
    }
}

class Worker implements Runnable {
    private int startIndex;
    private int endIndex;
    private int[] data;
    private int[] result;
    private CyclicBarrier barrier;

    public Worker(int startIndex, int endIndex, int[] data, int[] result, CyclicBarrier barrier) {
        this.startIndex = startIndex;
        this.endIndex = endIndex;
        this.data = data;
        this.result = result;
        this.barrier = barrier;
    }

    @Override
    public void run() {
        int sum = 0;
        for (int i = startIndex; i < endIndex; i++) {
            sum += data[i];
        }
        result[startIndex] = sum;
        try {
            barrier.await();
        } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

在这个示例中，我们创建了一个DataProcessor类，它有一个runTask()方法，启动5个Worker线程，每个线程处理一个数据片段，然后每个线程在处理完数据片段后会调用CyclicBarrier的await()方法来等待其他线程。当所有线程都到达屏障点后，CyclicBarrier会自动调用sumResult()方法来对结果进行求和并输出。