面试题：Java中Barrier实现原理剖析

Question

以CyclicBarrier为例，深入分析其内部实现原理，包括如何实现线程等待与唤醒机制，以及它与其他同步工具如Semaphore在原理上的异同点。

Answer 1

CyclicBarrier内部实现原理

1. 线程等待机制
   • CyclicBarrier内部维护了一个计数器parties，表示需要等待的线程数量。当每个线程调用await()方法时，计数器会减1。
   • 当计数器的值不为0时，调用await()的线程会调用Condition的await()方法进入等待状态。Condition是基于ReentrantLock实现的，ReentrantLock提供了线程同步的基础。
   • 例如，假设有3个线程调用await()，前两个线程调用await()后，计数器变为1和0，这两个线程会进入等待状态。
2. 唤醒机制
   • 当计数器减到0时，表示所有线程都已到达屏障点。此时，CyclicBarrier会调用Condition的signalAll()方法，唤醒所有等待在该Condition上的线程。
   • 被唤醒的线程从await()方法中返回，继续执行后续的代码。同时，CyclicBarrier会将计数器重置为初始值parties，以便下一轮使用，这也是它“Cyclic”（可循环）特性的体现。

与Semaphore原理上的异同点

1. 相同点
   • 线程同步：两者都用于线程同步，控制线程的并发执行，以避免竞争条件和确保程序的正确性。
   • 基于锁机制：底层都依赖锁机制来实现线程的同步。Semaphore基于AQS（AbstractQueuedSynchronizer）实现，CyclicBarrier内部的ReentrantLock也是基于AQS实现，AQS为它们提供了线程排队、等待和唤醒等基础功能。
2. 不同点
   • 功能目的：
     • CyclicBarrier：主要用于让一组线程相互等待，直到所有线程都到达某个屏障点，然后一起继续执行。常用于多线程协作完成某个任务阶段，然后一起进入下一阶段的场景。
     • Semaphore：用于控制同时访问某个资源的线程数量，通过信号量的获取和释放来限制并发访问。常用于限制对共享资源的并发访问，如数据库连接池的连接数量控制。
   • 资源模型：
     • CyclicBarrier：不涉及资源的概念，它关注的是线程组的同步。
     • Semaphore：维护了一个虚拟的资源池，信号量的数量代表了可用资源的数量。
   • 可重用性：
     • CyclicBarrier：具有可循环使用的特性，计数器重置后可以再次使用。
     • Semaphore：信号量的数量是固定的，获取和释放操作改变的是可用信号量的数量，不会重置为初始状态（除非手动重新设置）。