Java 入门指南：Java 并发编程 —— 同步工具类 CyclicBarrier（循环屏障）
文章目录
- 同步工具类
- CyclicBarrier
- 构造函数
- 常用方法
- 工作机制
- 使用步骤
- 适用场景
- CyclicBarrier与CountDownLatch的区别
- 示例代码
同步工具类
JUC（Java.util.concurrent）是 Java 提供的用于并发编程的工具类库，其中包含了一些通信工具类，用于在多个线程之间进行协调和通信，特别是在多线程和网络通信方面。这些工具类提供了丰富的功能，帮助开发者高效地实现复杂的并发控制和网络通信需求。
![![[JUC Communication Utilities.png]]](https://i-blog.csdnimg.cn/direct/789f2f08cd4a4920a669fbbe91353b4a.png)
CyclicBarrier
CyclicBarrier（循环屏障）是 Java 中的一种同步辅助类，用于控制多个线程在某个屏障点上等待，然后在达到屏障点时一起继续执行。它允许一组线程互相等待，直到所有线程都达到某个公共屏障点（也称为同步点），然后这些线程才会一起继续执行后续的任务。与 CountDownLatch 类似，但可以重复使用。
CyclicBarrier 通过一个计数器来实现，计数器初始值可以设定为一个正整数，当调用 await() 方法的线程数量达到指定值时，所有线程会被释放并继续执行。同时，CyclicBarrier 的计数器会重置为初始值，以便下一轮的等待。
构造函数
CyclicBarrier 提供了两个构造函数：
- 创建一个新的
CyclicBarrier，它将等待给定数量的线程（即parties参数指定的数量）到达屏障点，然后这些线程才会继续执行。
CyclicBarrier(int parties)
- 另一个构造函数除了指定需要等待的线程数量外，还允许指定一个当所有线程都到达屏障点时执行的任务（即barrierAction）。这个任务在所有线程被释放之前执行，可以用于进行某些准备工作或汇总工作。
CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)
常用方法
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await()：这是主要的等待方法，当所有线程都调用此方法时，所有线程都会被释放继续执行。该方法有两个重载版本：await()：等待所有线程，没有超时限制。await(long timeout, TimeUnit unit)：等待所有线程，有超时限制。
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getParties()：返回设置屏障时指定的线程数。 -
isBroken()：如果屏障因为中断或超时而失效，则返回true。 -
reset()：重置屏障，使其可以再次使用。 -
awaitingThreadCount()：返回当前正在等待屏障的线程数。
工作机制
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线程阻塞：当线程调用
CyclicBarrier的await()方法时，如果未达到屏障点（即未达到指定的线程数量），则该线程将被阻塞，直到所有线程都调用await()方法并到达屏障点。 -
计数器减一：每当一个线程调用
await()方法时，CyclicBarrier内部的计数器会减一。当计数器减至零时，表示所有线程都已到达屏障点。 -
执行屏障任务（可选）：如果构造函数中指定了屏障任务（barrierAction），则在所有线程都到达屏障点后，该任务将被执行。
-
线程唤醒：执行完屏障任务（如果有的话）后，所有在屏障点等待的线程都将被唤醒，并继续执行后续的任务。
-
重置计数器：在释放所有线程后，
CyclicBarrier的计数器可以被重置，以便下一次使用。如果需要重置计数器，可以调用reset()方法。
使用步骤
使用 CyclicBarrier 的基本步骤如下：
-
创建一个
CyclicBarrier对象，并指定参与线程的数量。 -
在每个参与线程中，调用
await()方法，表示线程到达屏障点，等待其他线程到达。 -
当指定数量的线程都调用了
await()方法后，所有线程会被释放，可以继续执行后续操作。
CyclicBarrier 非常灵活，并且可以自定义屏障动作，可以在所有线程到达屏障点触发之前或之后执行一些特定的操作。
CyclicBarrier 的参与线程数量必须大于等于 2，否则无论怎样调用await() 方法，都会导致线程阻塞。另外，CyclicBarrier 是一次性的，但一旦所有线程被释放，计数器会重置为初始值，可以进行下一轮的等待。
CyclicBarrier 在多线程协调和同步的场景中非常有用，可以控制线程的执行顺序和等待状态，提高并发性能和效率。
适用场景
CyclicBarrier 的使用场景通常是多个线程需要相互等待，直到所有线程都到达某个屏障点，然后再一起开始执行后续操作。常见的应用场景有：
-
将一个大任务拆分成多个子任务，多个线程并发执行这些子任务，最后等待所有子任务完成后再汇总结果。
-
执行多个并发测试用例，所有测试用例需要同时开始执行，在一个屏障点等待并打开屏障，然后进行下一次测试。
CyclicBarrier与CountDownLatch的区别
虽然 CyclicBarrier 和 CountDownLatch（倒计时门闩） 都可以用来实现线程间的同步，但它们之间存在一些关键的区别：
-
计数器重置：
CountDownLatch的计数器只能使用一次，一旦计数器减为零，就不能再被重置。而CyclicBarrier的计数器可以通过调用reset()方法来重置，以便重复使用。 -
使用场景：
CountDownLatch主要用于一组线程等待另一组线程完成某项操作，而CyclicBarrier则主要用于一组线程互相等待，直到所有线程都达到某个同步点后再一起继续执行。 -
异常处理：当
CyclicBarrier的屏障被破坏时（例如，由于某个线程在等待时被中断或超时），它会抛出BrokenBarrierException异常。而CountDownLatch则没有类似的异常处理机制。
示例代码
让我们通过一个具体的例子来展示 CyclicBarrier 的使用。
我们将模拟一个场景：一群登山者计划一起出发去攀登一座山。但是，他们约定在一个集合点汇合，只有当所有人都到齐了，他们才会开始攀登。如果有人提前到达，他们会等待其他人。如果有登山者因为某种原因无法到达集合点（如被中断或超时未到），那么整个队伍的计划就会取消。
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class ClimbersExample {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
int numberOfClimbers = 5;
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(numberOfClimbers, () -> {
System.out.println("所有登山者已经集合完毕，开始攀登！");
});
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(numberOfClimbers);
for (int i = 0; i < numberOfClimbers; i++) {
final int climberNumber = i + 1;
executor.submit(() -> {
try {
System.out.println("登山者 " + climberNumber + " 正在前往集合点...");
Thread.sleep((long) (Math.random() * 5000)); // 模拟不同的准备时间
System.out.println("登山者 " + climberNumber + " 到达集合点");
barrier.await(); // 等待所有登山者
} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
System.err.println("登山者 " + climberNumber + " 无法到达集合点: " + e.getMessage());
}
});
}
executor.shutdown();
}
}
示例说明：
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初始化
CyclicBarrier：我们创建了一个CyclicBarrier，指定了参与的登山者数量为5，并且当所有登山者都到达集合点时，会执行一个Runnable任务，输出信息表示登山活动可以开始。 -
创建线程池：我们创建了一个固定大小的线程池来模拟5位登山者的行动。
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提交任务：每个登山者都有自己的任务，模拟他们准备的时间不同，到达集合点的时间也不同。
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等待所有登山者：每个登山者到达集合点后，会调用
barrier.await()方法，等待其他登山者。只有当所有登山者都到达集合点后，才会继续执行后续的操作。 -
处理异常：如果某个登山者被中断或者因为其他原因无法到达集合点，会捕获异常并打印相关信息。
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关闭线程池：最后，我们关闭线程池，确保资源得到释放。