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大家好我是小黑工作中咱们经常会遇到需要多个线程协同工作的情况。CyclicBarrier直译过来就是“循环屏障”。它是Java中用于管理一组线程并让它们在某个点上同步的工具。简单来说咱们可以把一群线程想象成一队马拉雪橇的驯鹿CyclicBarrier就像是一个指定的集合点所有驯鹿必须到齐了才能继续下一段旅程。
不过别担心这听起来比实际复杂。实际上CyclicBarrier提供了一种简单的方式来达到这个同步目的。它通过一个计数器来实现这个计数器初始值是线程的数量。当一个线程到达屏障点时计数器就减一。当计数器减到0时表示所有线程都到齐了然后咱们可以执行一些操作或者继续执行下一步。
第2章CyclicBarrier基础
要深入理解CyclicBarrier咱们首先得知道它是怎么工作的。CyclicBarrier在Java的java.util.concurrent包中是并发编程的一部分。它主要用于让一组线程互相等待直到所有线程都达到了一个公共屏障点Barrier Point然后这些线程才继续执行。
让小黑举个简单的例子。假设咱们有一个任务需要四个线程同时开始执行。这就可以用CyclicBarrier来实现。小黑写了下面这段代码来展示基本的用法
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;public class CyclicBarrierExample {public static void main(String[] args) {// 创建一个新的CyclicBarrier其中包括4个线程CyclicBarrier barrier new CyclicBarrier(4, () - System.out.println(所有线程到达屏障点可以继续执行));// 创建四个线程for (int i 0; i 4; i) {int threadNum i;new Thread(() - {try {System.out.println(线程 threadNum 正在执行任务);Thread.sleep(1000); // 模拟任务执行时间System.out.println(线程 threadNum 到达屏障点);barrier.await(); // 等待其他线程System.out.println(线程 threadNum 继续执行其他任务);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}).start();}}
}在这个例子中咱们创建了一个CyclicBarrier实例这个实例要求四个线程都达到屏障点后才能继续执行。每个线程在执行自己的任务后会调用barrier.await();来等待其他线程。所有线程都调用了await()方法后计数器变为0屏障就被克服了每个线程继续执行它们之后的任务。
第3章CyclicBarrier的核心特性
了解了CyclicBarrier的基本用法后咱们来深入探讨一下它的核心特性。这些特性让CyclicBarrier成为并发编程中一个非常有用的工具特别是在处理多线程同步问题时。
重用性
CyclicBarrier的一个显著特点是它的重用性。这意味着一旦所有等待线程都到达屏障它就可以重置并重用。这个特性使得CyclicBarrier非常适合于那些需要多次等待一组线程到达同一点的情况。
让小黑用一个例子来说明这一点。假设咱们有一个处理数据的多阶段任务每个阶段都需要所有线程完成后才能进入下一阶段。这里就可以运用CyclicBarrier的重用性。
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;public class CyclicBarrierReuseExample {private static final int THREAD_COUNT 3;public static void main(String[] args) {CyclicBarrier barrier new CyclicBarrier(THREAD_COUNT, () - System.out.println(所有线程完成当前阶段准备进入下一阶段));for (int i 0; i THREAD_COUNT; i) {int threadNum i;new Thread(() - {try {for (int phase 1; phase 3; phase) { // 假设有三个阶段System.out.println(线程 threadNum 完成阶段 phase);barrier.await(); // 等待其他线程}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}).start();}}
}在这个例子中每个线程都会经历三个阶段。每个阶段都使用相同的CyclicBarrier来同步线程。线程完成一个阶段后就会等待其他线程。一旦所有线程都完成了该阶段CyclicBarrier就会重置让线程开始下一个阶段。
同步辅助功能
CyclicBarrier还提供了一个同步辅助功能当所有线程都到达屏障时可以执行一个预定义的动作。这是通过在CyclicBarrier的构造函数中提供一个Runnable来实现的。
这个功能非常有用因为它允许咱们在所有线程都到达屏障后执行一些处理比如更新共享资源、合并结果等。小黑再来给大家展示一个例子
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;public class CyclicBarrierActionExample {public static void main(String[] args) {CyclicBarrier barrier new CyclicBarrier(3, () - System.out.println(全部线程已到达屏障点执行屏障动作));for (int i 0; i 3; i) {new Thread(() - {try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() 正在执行任务);Thread.sleep(2000); // 模拟任务执行时间barrier.await(); // 等待其他线程System.out.println(Thread.currentThread().getName() 继续执行后续任务);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}).start();}}
}在这个代码中当所有线程都到达屏障点时会执行一段指定的代码即打印出“全部线程已到达屏障点执行屏障动作”。这样的设计使得CyclicBarrier不仅仅是一个同步工具还可以作为线程间协调的一种手段。
通过这些特性CyclicBarrier成为了处理复杂同步问题的有力工具。它不仅能确保线程在继续执行前达到某个公共点还能够在所有线程都准备好后执行。
第4章CyclicBarrier的实际应用场景
并行计算
一个典型的应用场景是并行计算。假设咱们有一个大数据集需要进行复杂的数据处理这个处理过程可以分解为多个独立的子任务每个子任务由一个单独的线程处理。但在进行下一步处理之前必须确保所有子任务都完成了当前步骤。这里就是CyclicBarrier大显身手的时候。
来看看下面这个例子小黑写了一段代码模拟了这种情况
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;public class ParallelComputationExample {private static final int THREAD_COUNT 4;public static void main(String[] args) {CyclicBarrier barrier new CyclicBarrier(THREAD_COUNT, () - System.out.println(所有子任务处理完成准备进入下一步));for (int i 0; i THREAD_COUNT; i) {new Thread(new Worker(i, barrier)).start();}}static class Worker implements Runnable {private final int threadNumber;private final CyclicBarrier barrier;Worker(int threadNumber, CyclicBarrier barrier) {this.threadNumber threadNumber;this.barrier barrier;}Overridepublic void run() {try {System.out.println(线程 threadNumber 正在处理任务);Thread.sleep(2000); // 模拟任务处理时间System.out.println(线程 threadNumber 完成任务等待其他线程);barrier.await(); // 等待其他线程完成} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}
}在这个例子中咱们创建了四个线程每个线程都代表一个数据处理任务。这些线程在完成自己的任务后会等待其他线程完成然后一起进入下一步。
第5章深入CyclicBarrier的API
咱们已经看到了CyclicBarrier在实际场景中的一些应用现在小黑要带大家更深入地了解一下CyclicBarrier的API。理解这些API对于充分利用CyclicBarrier的功能是至关重要的。
基本方法
CyclicBarrier提供了一些核心的方法来控制线程间的同步
CyclicBarrier(int parties): 这是CyclicBarrier的构造函数parties指的是必须调用await方法的线程数量。CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction): 这个构造函数除了指定线程数外还可以指定当所有线程都到达屏障时要执行的操作。await(): 线程调用这个方法告诉CyclicBarrier它已到达屏障点。如果所有线程都到达屏障它们就会继续执行否则调用await的线程会阻塞等待其他线程。
示例使用CyclicBarrier同步任务
为了更好地理解这些API小黑准备了一个具体的例子。假设咱们有一个任务需要多个线程协作完成每个线程执行完各自的部分后需要等待其他线程也执行完毕然后统一进行下一步操作。
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;public class CyclicBarrierApiExample {public static void main(String[] args) {// 定义一个新的CyclicBarrier需要3个线程协作CyclicBarrier barrier new CyclicBarrier(3, () - System.out.println(所有线程准备就绪开始下一步操作));for (int i 0; i 3; i) {new Thread(new Task(barrier), 线程 i).start();}}static class Task implements Runnable {private final CyclicBarrier barrier;Task(CyclicBarrier barrier) {this.barrier barrier;}Overridepublic void run() {try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() 正在执行任务);Thread.sleep(1000); // 模拟任务执行时间System.out.println(Thread.currentThread().getName() 完成任务等待其他线程);barrier.await(); // 等待其他线程System.out.println(Thread.currentThread().getName() 开始执行后续操作);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}
}在这个例子中每个线程都在执行它的任务。完成任务后它会等待其他线程也完成任务。只有当所有线程都执行了barrier.await()方法之后才会执行CyclicBarrier的barrierAction即打印出“所有线程准备就绪开始下一步操作”。
异常处理
处理异常也是使用CyclicBarrier时需要考虑的一个重要方面。如果任何线程在等待过程中被中断或超时或者屏障被重置或者屏障的await方法被中断BrokenBarrierException或InterruptedException将会被抛出。这些异常需要被妥善处理以确保程序的健壮性和正确性。
第6章CyclicBarrier的高级用法
动态调整参与线程数
CyclicBarrier提供了一种机制允许在运行时动态调整等待的线程数量。这在一些动态变化的并发场景中非常有用比如线程数量会根据任务的不同而变化。
为了展示这个特性小黑写了以下的例子。在这个例子中咱们会创建一个CyclicBarrier并在运行时根据需要动态调整它的屏障点
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;public class DynamicCyclicBarrierExample {public static void main(String[] args) {// 初始时屏障点设置为3CyclicBarrier barrier new CyclicBarrier(3, () - System.out.println(屏障点动作执行));for (int i 0; i 2; i) { // 初始只启动两个线程new Thread(new Worker(barrier), 线程 i).start();}// 动态调整屏障点现在需要4个线程到达屏障点barrier.reset(); // 重置CyclicBarrier这也会打破任何当前等待的线程barrier new CyclicBarrier(4, () - System.out.println(新的屏障点动作执行));for (int i 0; i 4; i) { // 现在启动四个线程new Thread(new Worker(barrier), 线程 i).start();}}static class Worker implements Runnable {private final CyclicBarrier barrier;Worker(CyclicBarrier barrier) {this.barrier barrier;}Overridepublic void run() {try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() 到达屏障点);barrier.await();System.out.println(Thread.currentThread().getName() 继续执行);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}
}在这个例子中咱们先创建了一个需要3个线程到达的CyclicBarrier。但后来因为需求变化我们通过调用reset()方法重置了CyclicBarrier并创建了一个新的CyclicBarrier这次需要4个线程。这展示了如何根据实际情况调整同步点的数量。
结合其他并发工具使用
CyclicBarrier还可以与Java的其他并发工具一起使用以解决更复杂的并发问题。例如可以将其与ExecutorService结合使用以管理线程池中的一组任务。
看看下面的例子小黑展示了如何将CyclicBarrier与线程池结合使用
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;public class CyclicBarrierWithExecutorServiceExample {public static void main(String[] args) {ExecutorService executorService Executors.newFixedThreadPool(4);CyclicBarrier barrier new CyclicBarrier(4, () - System.out.println(所有任务完成准备下一轮执行));for (int i 0; i 4; i) {executorService.execute(new Worker(barrier));}executorService.shutdown();}static class Worker implements Runnable {private final CyclicBarrier barrier;Worker(CyclicBarrier barrier) {this.barrier barrier;}Overridepublic void run() {try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() 正在执行任务);Thread.sleep(1000);barrier.await();System.out.println(Thread.currentThread().getName() 任务完成);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}
}第7章CyclicBarrier的问题和解决方案
1. BrokenBarrierException的处理
当参与CyclicBarrier的某个线程在等待期间被中断或者CyclicBarrier被重置或者在屏障点等待的线程超时时就会抛出BrokenBarrierException异常。这通常意味着CyclicBarrier无法正常工作。
解决这个问题的关键是要正确处理这个异常。咱们可以设置适当的异常处理逻辑确保即使在出现异常时程序也能以一种预期的方式继续运行。例如可以在捕获到BrokenBarrierException时重置CyclicBarrier或者采取其他恢复措施。
2. 超时的处理
如果咱们希望线程在等待达到屏障点的过程中不要无限期地等待可以使用await(long timeout, TimeUnit unit)方法为等待设置一个超时时间。如果在指定的时间内没有所有的线程都到达屏障点就会抛出TimeoutException。
处理超时的策略可能包括重试机制或者回退逻辑。但重要的是要确保所有的线程在超时后都能正确地处理这种情况避免资源泄漏或者线程阻塞。
示例代码处理异常和超时
下面是一个示例展示了如何在CyclicBarrier中处理BrokenBarrierException和超时异常
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.TimeoutException;public class CyclicBarrierExceptionHandlingExample {public static void main(String[] args) {CyclicBarrier barrier new CyclicBarrier(3);for (int i 0; i 3; i) {new Thread(new Task(barrier), 线程 i).start();}}static class Task implements Runnable {private final CyclicBarrier barrier;Task(CyclicBarrier barrier) {this.barrier barrier;}Overridepublic void run() {try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() 正在执行任务);Thread.sleep(1000);System.out.println(Thread.currentThread().getName() 到达屏障点等待其他线程);barrier.await(2, TimeUnit.SECONDS); // 设置超时时间为2秒} catch (InterruptedException e) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() 被中断);} catch (BrokenBarrierException e) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() 检测到屏障损坏);} catch (TimeoutException e) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() 等待超时);}System.out.println(Thread.currentThread().getName() 继续执行后续操作);}}
}在这个例子中每个线程在执行任务后会尝试等待其他线程但如果等待超过2秒就会抛出TimeoutException。同时这个代码也演示了如何处理InterruptedException和BrokenBarrierException确保线程在异常发生时能够正确地继续执行。
3. CyclicBarrier重置问题
在使用CyclicBarrier时还可能遇到需要重置屏障的情况。这可以通过调用reset()方法实现但要注意这个操作会打破正在等待的线程。因此在重置CyclicBarrier之前需要确保所有线程都已经离开屏障点或者咱们愿意接受打断它们的等待过程。
第8章总结
基本用法CyclicBarrier主要用于协调多个线程确保它们在继续执行之前在某个公共点同步。重用性一个CyclicBarrier可以被重复使用这对于那些分阶段执行的多线程任务非常有用。异常处理正确处理BrokenBarrierException和TimeoutException对于构建健壮的并发应用至关重要。与其他工具的结合CyclicBarrier可以与Java的其他并发工具如ExecutorService配合使用以处理更复杂的并发场景。
学习并发编程是一个持续的过程。技术总是在发展新的挑战总是在出现。保持好奇心不断学习小黑相信你会在这条路上越走越远
