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（Barrier Point）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

1. 多线程等待与协同：使一组线程可以在某一点上同步。
   

2. 循环使用：与CountDownLatch不同，CyclicBarrier可以重置后重复使用。
   

3. 可选的屏障动作：在所有线程到达屏障时，可以选择执行一段特定的代码逻辑。
   

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：

1. 初始化
   

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。

int parties = 3;
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(parties);

1. 等待屏障
   

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

1. 唤醒线程
   

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。

1. 可选的屏障动作
   

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。

CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(parties, new Runnable()out.println("All threads have reached the barrier");
    }
});

1. 异常处理
   

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

1. 基本用法
   

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：

import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier; i < PARTIES; i++) {
            new Thread(new Worker(i)).start();
        }
    }
    static class Worker implements Runnable {
        private final int threadNum;
        Worker(int threadNum) {
            this.out.println("Thread " + threadNum + " is waiting at the barrier.");
                barrier.await();
                System.out.println("Thread " + threadNum + " has passed the barrier.");
            } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

输出示例：

Thread 0 is waiting at the barrier.
Thread 1 is waiting at the barrier.
Thread 2 is waiting at the barrier.
All threads have reached the barrier
Thread 0 has passed the barrier.
Thread 1 has passed the barrier.
Thread 2 has passed the barrier.

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。

1. 带回调函数的使用
   

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("All threads have reached the barrier, performing callback.");
    }
});

1. 分治任务的并行计算
   

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：

import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
import java.util.List;
import java.util.ArrayList;

public class ParallelTask {
    private static final int PARTIES = 3;
    private static final CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(PARTIES, new Runnprintln("All subtasks completed, merging results... i < PARTIES; i++) {
            final int threadIndex = i;
            new Thread(() -> {
                try {
                    int result = doSubtask(threadIndex);
                    results.add(result);
                    barrier.await(); // 等待所有子任务完成
                } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
    }
    private static int doSubtask(int index) {
        // 模拟子任务的处理时间
        try {
            Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
        System.out.println("Subtask " + index + " completed with result: " + (index * index));
        return index * 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。

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