深入了解 Java 中的 CyclicBarrier 类

在 Java 编程中，有许多工具和类可供我们利用来解决并发编程中的各种挑战。其中之一就是 CyclicBarrier 类。本文将深入探讨 CyclicBarrier 类的核心功能、类继承关系、实现原理，以及通过具体示例来说明其用法及注意事项。如果你是一名新手 Java 开发人员，相信通过本文的学习，你将更好地理解并发编程中的 CyclicBarrier 类的应用。

CyclicBarrier 的核心功能

CyclicBarrier 类提供了一种同步机制，允许一组线程相互等待，直到达到某个公共屏障点，然后再同时继续执行。这个屏障点可以看作是一种同步点，当所有参与线程都到达这个点时，它们将被释放，可以继续执行后续任务。与 CountDownLatch 不同，CyclicBarrier 是可循环使用的，一旦所有线程被释放，它就可以被重置以供后续使用。

类继承关系

CyclicBarrier 类位于 java.util.concurrent 包下，它实现了 java.util.concurrent.locks.Lock 接口。其继承关系如下所示：

java.lang.Object
   └─ java.util.concurrent.CyclicBarrier

实现原理

CyclicBarrier 的实现依赖于两个主要组件：一个计数器和一个屏障动作。当线程调用 await() 方法时，它会将自己挂起，并将计数器减一。当计数器减为零时，所有挂起的线程都将被释放，并且可选地执行指定的屏障动作。之后，计数器会被重置以备下一次使用。

示例演示

示例一：多线程任务并行处理

假设有一个任务需要分解成多个子任务，并且只有当所有子任务都执行完毕后，主任务才能继续执行。这时可以使用 CyclicBarrier 来实现：

import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class ParallelTask {
    private static final int NUM_THREADS = 5;
    private static final CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(NUM_THREADS, () -> System.out.println("All threads have finished their tasks!"));

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
            Thread thread = new Thread(new Worker());
            thread.start();
        }
    }

    static class Worker implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            try {
                // 模拟任务执行
                Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " has finished its task and waiting at the barrier.");
                // 等待其他线程
                barrier.await();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

示例二：多阶段并行计算

在某些情况下，我们需要进行多阶段的并行计算，并在每个阶段结束时同步线程。CyclicBarrier 可以很好地满足这种需求：

import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class MultiStageComputation {
    private static final int NUM_THREADS = 3;
    private static final CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(NUM_THREADS);

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < NUM_THREADS; i++) {
            Thread thread = new Thread(new PhaseTask());
            thread.start();
        }
    }

    static class PhaseTask implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            try {
                // 模拟第一阶段计算
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is performing phase 1 computation.");
                Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
                barrier.await();

                // 模拟第二阶段计算
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is performing phase 2 computation.");
                Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
                barrier.await();

                // 模拟第三阶段计算
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is performing phase 3 computation.");
                Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
                barrier.await();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

注意事项

使用 CyclicBarrier 时，要确保所有线程都能到达屏障点，否则程序会一直等待。
在使用自定义屏障动作时，要小心处理可能会抛出的异常，以避免破坏线程同步。
避免在屏障动作中进行耗时的操作，以免影响其他线程的等待时间。