Javaマルチスレッド同期ツールクラスCyclicBarrierの使い方

CyclicBarrier とは

CyclicBarrier は、Java 同時実行パッケージで提供される同期ツール クラスで、複数のスレッドが特定のバリアで待機できるようにします。すべてのスレッドがバリアに到達するまで続行されません。 CyclicBarrier の実装原理は ReentrantLock と Condition に基づいており、スレッドの待機と起動は await() メソッドを複数回呼び出すことで実現されます。

CyclicBarrier の基本的な使い方

CyclicBarrier の基本的な使い方は非常に簡単で、CyclicBarrier オブジェクトを作成し、カウンター値を待機中のスレッドの数に設定するだけです。各スレッドの実行が終了したら、CyclicBarrier の await() メソッドを呼び出して、他のスレッドの実行が完了するのを待ちます。すべてのスレッドがバリアに到達すると、バリアが開かれ、すべてのスレッドが実行を継続します。

CyclicBarrier のソースコード実装

CyclicBarrier の実装原理は ReentrantLock と Condition に基づいており、スレッドの待機と起動は await() メソッドを複数回呼び出すことで実現されます。 CyclicBarrier のソース コード実装には主に、バリアの初期化とバリアの待機とウェイクアップの 2 つの部分が含まれています。

(1) CyclicBarrier の初期化

CyclicBarrier オブジェクトを作成する場合、待機スレッド数とバリアの実行動作を指定する必要があります。 CyclicBarrier オブジェクトの構築方法は以下のとおりです。

public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)

このうち、party は待機中のスレッド数を表し、barrierAction はバリアが実行する操作を表します。

構築メソッドでは、待機スレッドの数に基づいてパーティ サイズの ReentrantLock 配列と Condition オブジェクトが作成されます。 ReentrantLock 配列は、複数のスレッドがバリアに到達して同時に待機できるようにするために使用され、Condition オブジェクトはスレッドを待機してウェイクアップするために使用されます。

(2) CyclicBarrier の待機と起動

スレッドが await() メソッドを実行すると、まず ReentrantLock オブジェクトのロックを取得しようとします。スレッドが待機キューに追加され、ロックが解放されるのを待ちます。ロックを取得した後、スレッドは現在のカウンタが待機中のスレッドの数に達したかどうかを判断し、到達した場合はバリア操作を実行してカウンタをパーティにリセットし、待機キュー内のすべてのスレッドを起動します。カウンタが待機スレッドの数に達しない場合、そのスレッドは待機キューに追加され、他のスレッドの到着を待ちます。

CyclicBarrier の await() メソッドのソース コードは次のとおりです。

public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
    try {
        // 获取锁
        lock.lock();
        // 计数器减1
        int index = --count;
        if (index == 0) {
            // 如果计数器为0，执行屏障操作并唤醒等待队列中的所有线程
            final Runnable command = barrierCommand;
            if (command != null) {
                command.run();
            }
            next
        trip.signalAll();
    } else {
        try {
            // 等待其他线程到达屏障处
            int phase = generation;
            trip.await();
            // 如果是最后一个到达屏障的线程，执行屏障操作并唤醒等待队列中的所有线程
            if (phase == generation) {
                command = barrierCommand;
                if (command != null) {
                    command.run();
                }
            }
            // 计数器重置
            nextGeneration();
        } catch (InterruptedException ie) {
            // 如果线程在等待时被中断，抛出InterruptedException异常
            cancel();
            throw ie;
        } catch (BrokenBarrierException bbe) {
            // 如果屏障被破坏，抛出BrokenBarrierException异常
            broken = true;
            trip = new Condition[parties];
            throw bbe;
        }
    }
    return index;
} finally {
    // 释放锁
    lock.unlock();
}
}

CyclicBarrier の await() メソッドでは、まず ReentrantLock オブジェクトのロックを取得し、カウンターを 1 減算します。カウンタが 0 の場合はバリア操作を実行し、待機キュー内のすべてのスレッドをウェイクアップします。カウンタが 0 でない場合は、他のスレッドがバリアに到着するのを待ちます。

待機処理中にスレッドが中断されると、InterruptedException がスローされます。バリアが壊れた場合は、BrokenBarrierException がスローされます。それがバリアに到達した最後のスレッドである場合、バリア操作が実行され、待機キュー内のすべてのスレッドが起動され、カウンタがパーティにリセットされます。

CyclicBarrier の使用シナリオ

CyclicBarrier は、複数のスレッドが実行を続行する前に、特定のバリア ポイントに到達するまで互いに待機する必要があるシナリオに適しています。たとえば、複数のスレッドが特定のタスクを同時に実行する必要があるが、特定のタスクが実行を続行するには他のタスクが完了するまで待機する必要がある場合、CyclicBarrier を使用してスレッドの同期とコラボレーションを実現できます。

さらに、CyclicBarrier を使用してパイプライン処理を実装することもできます。たとえば、プロデューサー/コンシューマー モデルでは、複数のプロデューサーが同時にキューにデータを追加できます。キューがいっぱいになると、すべてのプロデューサーがキューにデータを追加します。ユーザーがデータの処理を完了した後、データの追加を続けます。

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