CyclicBarrier源码探究 （JDK 1.8）

CyclicBarrier也叫回环栅栏，能够实现让一组线程运行到栅栏处并阻塞，等到所有线程都到达栅栏时再一起执行的功能。“回环”意味着CyclicBarrier可以多次重复使用，相比于CountDownLatch只能使用一次，CyclicBarrier可以节省许多资源，并且还可以在构造器中传入任务，当栅栏条件满足时执行这个任务。CyclicBarrier是使用了ReentrantLock，主要方法在执行时都会加锁，因此并发性能不是很高。

1.相关字段

    //重入锁，CyclicBarrier内部通过重入锁实现线程安全
    private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    //线程阻塞时的等待条件
    private final Condition trip = lock.newCondition();
    //需要等待的线程数
    private final int parties;
    //栅栏打开之后首先执行的任务
    private final Runnable barrierCommand;
    //记录当前的分代标记
    private Generation generation = new Generation();
    //当前还需要等待多少个线程运行到栅栏位置
    private int count;

需要注意的是generation字段，用于标记栅栏当前处在哪一代。当满足一定的条件时（例如调用了reset方法，或者栅栏打开等），栅栏状态会切换到下一代，实际就是new一个新的Generation对象，这是CyclicBarrier的内部类，代码非常简单，如下：

    private static class Generation {
        boolean broken = false;   //标记栅栏是否被破坏
    }

实际使用的过程中，会利用generation字段判断当前是否在同一个分代，而使用broker字段判断栅栏是否被破坏。

2.构造函数

CyclicBarrier有两个重载的构造函数，构造函数只是对上述的相关字段进行初始化，如下：

    public CyclicBarrier(int parties) {
        this(parties, null);
    }

    public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
        if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
        this.parties = parties;
        this.count = parties;
        this.barrierCommand = barrierAction;
    }

3.核心方法

• await
await是开发时最常用到的方法了，同CountDownLatch一样，CyclicBarrier也提供了两个await方法，一个不带参数，一个带有超时参数，其内部只是简单调用了一下dowait方法：

    public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
        try {
            return dowait(false, 0L);
        } catch (TimeoutException toe) {
            throw new Error(toe); // cannot happen
        }
    }

    public int await(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException,
               BrokenBarrierException,
               TimeoutException {
        return dowait(true, unit.toNanos(timeout));
    }

接下来看看至关重要的dowait方法：

    private int dowait(boolean timed, long nanos)
        throws InterruptedException, BrokenBarrierException,
               TimeoutException {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        //加重入锁
        lock.lock();
        try {
            //首先获取年龄代信息
            final Generation g = generation;
            //如果栅栏状态被破坏，抛出异常，例如先启动的线程调用了breakBarrier方法，后启动的线程就能够看到g.broker=true
            if (g.broken)
                throw new BrokenBarrierException();
            //检测线程的中断状态，如果线程设置了中断状态，则通过breakBarrier设置栅栏为已破坏状态，并唤醒其他线程
            //如果这里能够检测到中断状态，那只可能是在await方法外部设置的
            if (Thread.interrupted()) {
                breakBarrier();
                throw new InterruptedException();
            }
            //每调用一次await，就将需要等待的线程数减1
            int index = --count;
            //index=0表示这是最后一个到达的线程，由该线程执行下面的逻辑
            if (index == 0) {  // tripped
                boolean ranAction = false;
                try {
                    final Runnable command = barrierCommand;
                    //如果在构造器中传入了第二个任务参数，就在放开栅栏前先执行这个任务
                    if (command != null)
                        command.run();
                    ranAction = true;
                    //正常结束，需要唤醒阻塞的线程，并换代
                    nextGeneration();
                    return 0;
                } finally {
                    //try代码块如果正常执行，ranAction就一定等于true，而try代码块唯一可能发生异常的地方就是command.run()，
                    //因此这里为了保证在任务执行失败时，将栅栏标记为已破坏，唤醒阻塞线程
                    if (!ranAction)
                        breakBarrier();
                }
            }

            // loop until tripped, broken, interrupted, or timed out
            //栅栏没被破坏，线程没有被中断，且不是最后一个到达栅栏的线程，就会执行下面的自旋，排队等待
            for (;;) {
                try {
                    //没有设置超时标记，就加入等待队列
                    //注意，只有在最后finally语句中释放了锁，那么其他的线程是如何走到这里的呢（具体分析见文末的问题解析部分。）
                    if (!timed)
                        trip.await();
                    //设置了超时标记，但目前还没有超时，则继续等待
                    else if (nanos > 0L)
                        nanos = trip.awaitNanos(nanos);
                } catch (InterruptedException ie) {
                    //如果线程等待的过程中被中断，会执行到这里
                    //g == generation表示当前还在同一个年龄分代中，即当前栅栏还没有放开，并且外部也没有调用reset()方法
                    //!g.broker表示当前栅栏状态没有被破坏，在这种情况下需要破坏当前的栅栏状态
                    //当最后一个线程执行完换代逻辑后（或调用了reset()方法），线程还没被唤醒的过程中发生了中断，此时g!=generation
                    if (g == generation && ! g.broken) {
                        breakBarrier();
                        throw ie;
                    } else {
                        //上面的条件不满足，说明：1）g!=generation,说明线程执行到这里时已经换代了，
                        //要么是最后一个线程正常打开栅栏之后，当前线程被中断，要么是外部调用了reset()方法，随后当前线程被中断
                        //2）没有换代，但是栅栏被破坏了，这种情况会在下文代码的条件语句捕获到
                        //无论哪种情况，都只是简单地设置一下当前线程的中断状态
                        Thread.currentThread().interrupt();
                    }
                }
                //栅栏被破坏，抛出异常
                //注意，在breakBarrier方法中会唤醒所有等待条件的线程，这些线程会执行到这里，判断栅栏已经被破坏，都会抛出异常
                if (g.broken)
                    throw new BrokenBarrierException();
                //注意：代码中breakBarrier方法和nextGeneration方法都会唤醒阻塞的线程，但是breakBarrier在上一个判断就被拦截了，
                //因此走到这里的有三种情况：
                //a）最后一个线程正常执行，栅栏打开导致其他线程被唤醒，此时最后一个线程执行了nextGeneration方法，导致换代，之前的一批线程全部返回
                //b）栅栏被重置（调用了reset方法），此时g!=negeration，全都直接返回
                //c）线程等待超时了，不属于当前代的返回就可以了，属于当前代的则要在下个条件语句中设置generation.broken = true
                if (g != generation)
                    return index;
                //如果线程等待超时，标记栅栏为破坏状态并抛出异常，如果还没超时，则自旋后又重新阻塞
                if (timed && nanos <= 0L) {
                    breakBarrier();
                    throw new TimeoutException();
                }
            }
        } finally {
            //别忘了解锁
            lock.unlock();
        }
    }

dowait的方法逻辑是：每一个调用await方法的线程都会将计数count减1，最后一个线程将count减为0时，顺带还要执行barrierCommand指定的任务，并将generation切换到下一代，当然，最重要的还是要唤醒之前在栅栏处阻塞的线程。由于trip对应的Condition对象没有任何地方会修改，因此trip.signalAll()会唤醒所有在该条件上等待的线程，如果线程在等待的过程中，其他线程将generation更新到下一代，就会出现被唤醒的线程中有部分还属于之前那一代的情况。
接下来将会对dowait用到的一些方法进行简单介绍。

• breakBarrier
dowait方法有四个地方调用了breakBarrier，从名字可以看出，该方法会将generation.broken设置为true，除此之外，还会还原count的值，并且唤醒所有被阻塞的线程：

    private void breakBarrier() {
        generation.broken = true;
        count = parties;
        //唤醒所有的阻塞线程
        trip.signalAll();
    }

纵观CyclicBarrier源码，generation.broken统一在breakBarrier方法中被设置为true，而一旦将generation.broken设置为true之后，代码中检查到这个状态之后都会抛出异常，栅栏就没办法再使用了（可以手动调用reset进行重置）,而源码中会在以下几种情况调用breakBarrier方法：
① 当前线程被中断
② 通过构造器传入的任务执行失败
③ 条件等待时被中断
④ 线程等待超时
⑤ 显式调用reset方法

• nextGeneration

    private void nextGeneration() {
        // 唤醒所有的阻塞线程
        trip.signalAll();
        // 开启下一代
        count = parties;
        generation = new Generation();
    }

• reset
reset方法主要是结束这一代，并切换到下一代

    public void reset() {
        final ReentrantLock lock = this.lock;
        lock.lock();
        try {
            breakBarrier();   // break the current generation
            nextGeneration(); // start a new generation
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

介绍到这里，整个CyclicBarrier已经差不多介绍完了，但是内部的流程远远没有这么简单，因为很大一部分逻辑封装在AbstractQueuedSynchronizer中，这个类定义了阻塞的线程如何加入等待队列，又如何被唤醒，因此如果想要深入了解线程等待的逻辑，还需要仔细研究AbstractQueuedSynchronizer才行。本文不会对这部分内容进行介绍，后面有时间的话将会专门对其进行介绍。

4.问题解析

• 1.dowait()方法中独占锁的释放问题
  通过本文的分析可以知道，CyclicBarrier会让先到达栅栏的线程阻塞起来，等待最后一个到达的线程唤醒。在dowait()方法中用到了ReentrantLock这个独占锁，也就是说必须等待持有锁的线程释放了锁之后，其他线程才能够再次获取锁从而向下执行。然而，一个显然的问题是，锁是在dowait()方法最后的finally语句块中才释放的，第一个持有锁的线程执行到trip.await()的时候就阻塞了，那么第一个线程之后的其他线程是如何执行到trip.await()这里的呢？通过写测试代码调试可以发现，在trip.await()执行之后，锁就会被其他线程占有，相当于原来占有锁的线程释放了锁，因此秘密就在trip.await()方法中，来看看其源码（这部分代码在AQS类中）：

    public final void await() throws InterruptedException {
        if (Thread.interrupted())
            throw new InterruptedException();
        //加入条件等待队列
        Node node = addConditionWaiter();
        //就是在这里释放了锁，需要注意的是，这里保存了当前的state值
        int savedState = fullyRelease(node);
        int interruptMode = 0;
        //前面的addConditionWaiter()方法之后，node的状态就是CONDITION了，isOnSyncQueue(node)会返回false，将当前线程挂起
        while (!isOnSyncQueue(node)) {
            LockSupport.park(this);
            if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                break;
        }
        if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
            interruptMode = REINTERRUPT;
        if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
            unlinkCancelledWaiters();
        if (interruptMode != 0)
            reportInterruptAfterWait(interruptMode);
    }

    final int fullyRelease(Node node) {
        boolean failed = true;
        try {
            //先获取当前的state的值，并作为结果返回
            int savedState = getState();
            if (release(savedState)) {
                failed = false;
                return savedState;
            } else {
                throw new IllegalMonitorStateException();
            }
        } finally {
            if (failed)
                node.waitStatus = Node.CANCELLED;
        }
    }

    public final boolean release(int arg) {
        if (tryRelease(arg)) {
            Node h = head;
            if (h != null && h.waitStatus != 0)
                unparkSuccessor(h);
            return true;
        }
        return false;
    }

    //这段代码在ReentrantLock中，其他的几个方法都在AQS内
    protected final boolean tryRelease(int releases) {
        //注意参数releases=1，因此下面的c=0
        int c = getState() - releases;
        //异常处理，对于CyclicBarrier来讲，这个就是当前持有锁的线程
        if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
            throw new IllegalMonitorStateException();
        boolean free = false;
        if (c == 0) {
            free = true;
            //在这里清空了exclusiveOwnerThread字段，表明当前可重入锁没有线程占有
            setExclusiveOwnerThread(null);
        }
        //将state字段设置为0，那么其他的线程在执行到lock.lock()时就能够获取到锁了
        setState(c);
        return free;
    }

从这段代码可以看到，整个释放锁的逻辑是await -> fullyRelease -> release -> tryRelease，即最后是在tryRelease方法中设置state=0，并设置exclusiveOwnerThread=null，并在release方法中通过unparkSuccessor()方法唤醒头结点之后排队等待的节点，该节点会从lock.lock()这里继续向下执行，并且每个醒来的线程都会将count减1，如果当前醒来的线程不是最后一个线程，那么当前线程继续阻塞。这里并没有对ReentrantLock进行介绍，大家有兴趣的话可以参考ReentrantLock源码探究进行了解。

5.更新日志

• 3.19日更新了问题解析的问题1。