做产地证网站,江苏省建设厅官网网站首页,北京搜索引擎优化管理专员,建设工程合同约定的质量目标JUC系列整体栏目 内容链接地址【一】深入理解JMM内存模型的底层实现原理https://zhenghuisheng.blog.csdn.net/article/details/132400429【二】深入理解CAS底层原理和基本使用https://blog.csdn.net/zhenghuishengq/article/details/132478786【三】熟练掌握Atomic原子系列基本…JUC系列整体栏目 内容链接地址【一】深入理解JMM内存模型的底层实现原理https://zhenghuisheng.blog.csdn.net/article/details/132400429【二】深入理解CAS底层原理和基本使用https://blog.csdn.net/zhenghuishengq/article/details/132478786【三】熟练掌握Atomic原子系列基本使用https://blog.csdn.net/zhenghuishengq/article/details/132543379【四】精通Synchronized底层的实现原理https://blog.csdn.net/zhenghuishengq/article/details/132740980【五】通过源码分析AQS和ReentrantLock的底层原理https://blog.csdn.net/zhenghuishengq/article/details/132857564【六】深入理解Semaphore底层原理和基本使用https://blog.csdn.net/zhenghuishengq/article/details/132908068【七】深入理解CountDownLatch底层原理和基本使用https://blog.csdn.net/zhenghuishengq/article/details/133343440【八】深入理解CyclicBarrier底层原理和基本使用https://blog.csdn.net/zhenghuishengq/article/details/133378623 深入理解CyclicBarrier的底层原理和基本使用 一深入理解CyclicBarrier的底层原理1CyclicBarrier的基本使用2CyclicBarrier的底层源码实现2.1lock加锁操作2.2条件队列入队操作2.3同步状态器state设置为02.4条件队列Node结点阻塞2.5signalAll满足屏障条件进入下一屏障2.6条件队列结点出队2.7条件队列结点入队同步队列2.8unlock解锁 3总结 一深入理解CyclicBarrier的底层原理
在前面两篇讲述了Semaphore和CountDownLatch两个并发工具类都是通过CLH等待队列实现的接下来讲解第三个常用的并发工具类CyclicBarrier 该类与前二者不同除了使用CLH同步等待队列 外还用了条件等待队列来实现的接下来详细的描述一下该类的基本语法和底层的源码实现。
顾名思义可以被称为循环屏障屏障指的是可以让多个线程在满足某一个条件的时候再全部的同时执行有点类似于之前的内存屏障循环指的是这个条件可以一直循环的使用
1CyclicBarrier的基本使用
先举一个简单的例子了解一下这个工具类是如何使用的。在此之前先定义一个线程池通过线程池工具类来管理线程
package com.zhs.study.util;import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import java.util.concurrent.*;/*** 线程池工具* author zhenghuisheng* date : 2023/9/27*/
public class ThreadPoolUtil {//日志级别(由高到低)fatal - error - warn - info - debug,低级别的会输出高级别的信息高级别的不会输出低级别的信息private static final Logger log LoggerFactory.getLogger(ThreadPoolUtil.class);//构建线程池public static ThreadPoolExecutor pool null;//向线程池中添提交任务,将任务返回//判断核心线程数数量阻塞队列创建非核心线程数拒绝策略public static T Future? submit(Runnable runnable) {//提交任务并将任务返回Future? future getThreadPool().submit(runnable);//将任务存储在hash表中return future;}/*** io密集型最大核心线程数为2N,可以给cpu更好的轮换* 核心线程数不超过2N即可可以适当留点空间* cpu密集型最大核心线程数为N或者N1N可以充分利用cpu资源N加1是为了防止缺页造成cpu空闲* 核心线程数不超过N1即可* 使用线程池的时机1,单个任务处理时间比较短 2,需要处理的任务数量很大*/public static synchronized ThreadPoolExecutor getThreadPool() {if (pool null) {//获取当前机器的cpuint cpuNum Runtime.getRuntime().availableProcessors();log.info(当前机器的cpu的个数为 cpuNum);int maximumPoolSize cpuNum * 2 ;pool new ThreadPoolExecutor(maximumPoolSize - 2,maximumPoolSize,5L, //5sTimeUnit.SECONDS,new LinkedBlockingQueue(), //链表无界队列Executors.defaultThreadFactory(), //默认的线程工厂new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy()); //直接抛异常默认异常}return pool;}
}接下来再自定义一个线程任务类内部定义具体的run方法的实现
package com.zhs.study.juc.aqs;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;/*** author zhenghuisheng* date : 2023/9/27*/
public class Task implements Runnable {CyclicBarrier cyclicBarrier;//通过构造方法传参保证拿到的是同一个对象public Task(CyclicBarrier cyclicBarrier){this.cyclicBarrier cyclicBarrier;}Overridepublic void run() {try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() 开始等待其他线程);cyclicBarrier.await();System.out.println(Thread.currentThread().getName() 开始执行);//TODO 模拟业务处理Thread.sleep(5000);System.out.println(Thread.currentThread().getName() 执行完毕);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}
}接下来定义一个main方法执行这个代码
/*** author zhenghuisheng* date : 2023/9/27*/
public class CyclicBarrierDemo {//创建一个线程池static ThreadPoolExecutor threadPool ThreadPoolUtil.getThreadPool();public static void main(String[] args) {CyclicBarrier cyclicBarrier new CyclicBarrier(5);//创建20个线程任务for (int i 0; i 20; i) {//创建任务Task task new Task(cyclicBarrier);//提交任务threadPool.submit(task);}}
}查看执行结果如下 14:36:50.581 [main] INFO com.zhs.study.util.ThreadPoolUtil - 当前机器的cpu的个数为4 pool-1-thread-1开始等待其他线程 pool-1-thread-2开始等待其他线程 pool-1-thread-3开始等待其他线程 pool-1-thread-4开始等待其他线程 pool-1-thread-5开始等待其他线程 pool-1-thread-5开始执行 pool-1-thread-1开始执行 pool-1-thread-6开始等待其他线程 pool-1-thread-2开始执行 pool-1-thread-4开始执行 … 主要就是当线程累加到5个之后就会通过这个屏障执行以下的业务如果没有达到5个就会被阻塞着。与CountDownLatch的底层实现不同后者是通过减法的方式实现业务而循环屏障使用的是加法并且循环屏障的参数是可以循环使用的而CountDownLatch不能。
2CyclicBarrier的底层源码实现
接下来研究一下CyclicBarrier 这个类先查看一下这个类中的部分属性和构造方法。内部引入了ReentrantLock和trip条件队列对象并且定义了一个重置内存屏障的对象在构造方法中除了引用一个正常的类加的数据之外还引入了一个副本参数用于循环使用
public class CyclicBarrier {//用于重置内存屏障private static class Generation {boolean broken false;}//引入了ReentrantLock锁因此有AQS的所有特性以及该锁的特性private final ReentrantLock lock new ReentrantLock();//条件对象用于构建条件等待队列private final Condition trip lock.newCondition();//构造方法如下public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {if (parties 0) throw new IllegalArgumentException();this.parties parties; //外部传入参数的副本用于循环使用this.count parties; //外部参数的个数用于累计this.barrierCommand barrierAction; //线程任务优先级更高}
}在初步的熟悉了这个类之后还是得通过这个 await 了解底层到底第如何实现的
cyclicBarrier.await();接下来进入这个await方法内部在源码中一般真正干活的方法都是以do开头的方法
public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {try {return dowait(false, 0L); //真正干活的方法} catch (TimeoutException toe) {throw new Error(toe); // cannot happen}
}在这个 dowait 方法中这个方法内部逻辑是比较多的如下图接下来会一段一段的分析这里面的方法 2.1lock加锁操作
首先在该方法中定义了一把ReentrantLock锁并进行了一个加锁的操作。这个操作其实也不难理解因为在条件等待队列中需要加锁在能阻塞就类似于使用wait方法时必须在外层加synchronized关键字的
final ReentrantLock lock this.lock;
lock.lock(); //独占锁2.2条件队列入队操作
如在CyclicBarrier构造方法中会有一个count用于做具体的执行操作因此在这会有一个自减的操作如果这个count的自减操作的值不为0那么会继续进入下面这个for循环的自旋操作首先会有一个trip.await方法用于条件等待队列进行入队操作
int index --count; //自减操作
for (;;) {try {//trip是一个条件等待队列对象调用的这个await是条件等待的入队和阻塞if (!timed) trip.await(); else if (nanos 0L) nanos trip.awaitNanos(nanos);} catch (InterruptedException ie) {if (g generation ! g.broken) {breakBarrier();throw ie;} else {Thread.currentThread().interrupt();}}if (g.broken) throw new BrokenBarrierException();if (g ! generation) return index;if (timed nanos 0L) {breakBarrier();throw new TimeoutException();}
}接下来查看这个await方法的具体实现里面首先会有一个addConditionWaiter 结点入队的操作
public final void await() throws InterruptedException {if (Thread.interrupted())throw new InterruptedException();Node node addConditionWaiter(); //结点入队int savedState fullyRelease(node); //结点释放锁 int interruptMode 0;while (!isOnSyncQueue(node)) { //判断是不是同步等待队列结点LockSupport.park(this); //不是则阻塞if ((interruptMode checkInterruptWhileWaiting(node)) ! 0)break;}//被唤醒的结点尝试获取锁if (acquireQueued(node, savedState) interruptMode ! THROW_IE)interruptMode REINTERRUPT;if (node.nextWaiter ! null) // clean up if cancelledunlinkCancelledWaiters();if (interruptMode ! 0)reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}这个Node对象是ConditionObject类下面声明的对象在ConditionObject这个对象中只对了Node结点的头指针和尾指针因此组成这个条件等待的队列是一个由Node结点组成的单向链表CLH同步等待队列中的Node结点和这个Condition条件等待队列的Node结点是同一个类的对象只是实现两种队列的结构不一样。
public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {private static final long serialVersionUID 1173984872572414699L;//定义头结点private transient Node firstWaiter;//定义尾结点private transient Node lastWaiter;...
}结点入队的操作如下首先会先修改Node结点的状态为-2条件等待状态其次会判断这个单向链表是否存在如果存在则直接将结点加入到单向链表的尾部如果不存在则直接将结点作为头结点。
private Node addConditionWaiter() {Node t lastWaiter; //获取条件等待队列的尾结点// If lastWaiter is cancelled, clean out.if (t ! null t.waitStatus ! Node.CONDITION) {unlinkCancelledWaiters();t lastWaiter; //如果链表存在则直接将结点插入到尾结点中}//设置结点的waitStatus为-2即为条件等待状态Node node new Node(Thread.currentThread(), Node.CONDITION);if (t null) firstWaiter node; //如果链表不存在则创建链表将头结点设置为当前结点else t.nextWaiter node; //如果链表存在则直接将链表接入到队尾即可lastWaiter node; //将当前结点设置为尾结点return node;
}2.3同步状态器state设置为0
依旧是2.2的await方法中会有一个 fullyRelease 方法由于在一开始调用了lock方法这个lock是一把独占锁其内部也是通过CLH同步等待队列实现因此也是通过修改state的值来让其他线程可以来抢锁因此需要通过这个 fullyRelease 方法来实现修改状态的功能。
final int fullyRelease(Node node) {boolean failed true;try {int savedState getState(); //此时同步状态器的值为1if (release(savedState)) { //释放锁failed false;return savedState;} else {throw new IllegalMonitorStateException();}} finally {if (failed)node.waitStatus Node.CANCELLED;}
}主要是通过这个 release(savedState) 方法来进行释放锁最终会调用tryRelease方法将同步状态器中的state的值设置为0并且将exclusive的值设置为null主要从外面进来的线程(非队列中的阻塞线程)就可以去抢锁。
protected final boolean tryRelease(int releases) {//外部传参为1因此 1-10int c getState() - releases;if (Thread.currentThread() ! getExclusiveOwnerThread())throw new IllegalMonitorStateException();boolean free false;if (c 0) {free true;setExclusiveOwnerThread(null); //exclusive设置为null}setState(c); //设置为0return free;
}2.4条件队列Node结点阻塞
依旧是2.2的await方法中会有一个判断当前结点是不是同步等待队列中的结点很明显不是因此会进入方法内部就会有一个park方法阻塞的功能
while (!isOnSyncQueue(node)) { //判断是不是同步等待队列结点LockSupport.park(this); //不是则阻塞if ((interruptMode checkInterruptWhileWaiting(node)) ! 0)break;
}2.5signalAll满足屏障条件进入下一屏障
如果此时的count值被减为0那么就会跳过这个循环屏障即可以执行这个循环屏障并且会判断构造方法的参数中是否有这个线程任务如果有则优先执行这个线程任务
int index --count; //自减操作
if (index 0) { // tripped //如果此时为0boolean ranAction false; //设置一个标志位try {final Runnable command barrierCommand; //获取构造方法中的这个参数if (command ! null) //判断是否存在自定义的任务线程command.run(); //该线程优先级更高可以先执行ranAction true; nextGeneration(); //进入下一个循环屏障return 0;} finally {if (!ranAction)breakBarrier();}
}进入下一个循环屏障的nextGeneration方法的具体实现如下里面会有一个signalAll
private void nextGeneration() {// signal completion of last generationtrip.signalAll();// set up next generationcount parties; //副本重置、复原generation new Generation();
}通过下图可以更加直观的分析流程通过await将Node结点加入到队列并让结点阻塞那么可以直接通过这个signalAll方法将结点从同步等待队列中唤醒但是唤醒之后结点的状态还是-2因此需要解决park的唤醒还是得加入到同步等待队列中通过同步等待队列的唤醒机制将状态改成-1才能去抢锁才能最终的释放锁和唤醒线程。 因此继续分析这个signalAll方法其实现如下具体的唤醒方法在doSignalAll中实现并且首先唤醒的是头结点
public final void signalAll() {if (!isHeldExclusively())throw new IllegalMonitorStateException();Node first firstWaiter; //将头结点获取if (first ! null)doSignalAll(first);
}2.6条件队列结点出队
里面首先会将条件队列的头结点和尾结点置为null随后通过first结点执向头结点随后将头结点的下一个结点也置为空此时头结点出队。随后通过dowhile的方式会将所有的结点遍历一遍此时所有的结点出队
private void doSignalAll(Node first) {lastWaiter firstWaiter null; //将头结点和尾结点全部置为null do {Node next first.nextWaiter;first.nextWaiter null; //将头结点的下一个结点也置为nulltransferForSignal(first);first next; } while (first ! null);
}2.7条件队列结点入队同步队列
由于只有同步队列中才能去唤醒线程因此只能将出队的队列加入到同步等待队列中因此查看这个transferForSignal方法底层的具体实现。此时会先修改结点的状态改成0其次会有一个结点的enq入队操作前面几篇都有写这个具体实现。
final boolean transferForSignal(Node node) {//将结点的-2条件状态改成0默认状态if (!compareAndSetWaitStatus(node, Node.CONDITION, 0))return false;//随后结点入队操作Node p enq(node);//获取结点的状态int ws p.waitStatus; //如果当前结点的前驱结点为-1则唤醒if (ws 0 || !compareAndSetWaitStatus(p, ws, Node.SIGNAL))LockSupport.unpark(node.thread); return true;
}入队的操作依旧是那些双向链表不存在则创建存在则直接将结点加入随后修改状态为-1可被唤醒状态随后结点阻塞详细可以看前面三篇文章
2.8unlock解锁
在所有流程走完之后会在finally里面有一个解锁的方法
lock.unlock();此时结点已经从条件队列中入队到同步等待队列中此时条件等待队列的结点都是处于阻塞的并且状态都为-1因此需要通过这个unlock方法去对里面的对象进行唤醒和出队的功能内部最终会调用这个unpark这个方法
LockSupport.unpark(s.thread);在被唤醒之后又会调用这个acquireQueued 进行一个获取锁的功能这里的抢锁时之际通过cas获取锁的
acquireQueued()获取锁之后进入同步队列的结点出队。(同步队列的具体实现看前两篇写烂了…)
setHead(node);
p.next null; // help GC
failed false;通过unlock方法可以不断的出队和唤醒下一个线程这样就能将进入同步队列的条件队列结点给全部唤醒这样就可以执行参数定义为n个线程了。
3总结
在整个流程中可以发现在刚进入是需要加lock获取锁在await方法中当结点进入条件队列之后有会释放锁然后在条件队列结点进入同步队列时又会去抢锁然后在执行完毕时又会释放锁总共会有两次加锁和解锁的过程 第一次lock获取锁配合await使用 第一次await释放锁将state的值置为0允许外部线程和同步队列线程结点抢锁 第二次获取锁条件队列结点进入同步队列时抢锁成功执行逻辑失败进入同步队列阻塞 第二次unlock释放锁同步队列执行完逻辑之后需要唤醒同步队列中阻塞的结点 循环屏障是通过ReentrantLock和条件队列配合使用的ReentrantLock中底层通过AQS实现因此满足了同步队列和条件队列的同时使用。
整个流程可以总结如下
首先可以在循环屏障中定义一个参数用于表示需要满足的条件随后线程会调用这个await方法先通过lock进行一个加锁操作随后结点会进入条件等待队列此时结点的状态为-2在结点阻塞之后会将同步状态器的state值改成0锁就进行了释放此时就会允许外部的线程进行一个抢锁的操作
当满足这个循环屏障的条件的时候此时就会进入下一个循环屏障那么就需要将条件队列的结点进行一个出队的操作由于唤醒线程只有在同步队列中实现因此还要将结点加入到同步队列中入队时又会有一个cas锁的操作如果抢锁成功则执行逻辑如果抢锁失败则加入到同步队列中并阻塞当获取锁成功之后需要结点出队并且唤醒同步队列中被阻塞的结点因此需要调用最终的unlock方法
