java多线程系列:通过对战游戏学习CyclicBarrier

CyclicBarrier是java.util.concurrent包下面的一个工具类,字面意思是可循环使用(Cyclic)的屏障(Barrier),通过它可以实现让一组线程到达一个屏障(也可以叫同步点)时被阻塞,直到最后一个线程到达屏障时,所有被屏障拦截的线程才会继续执行。

这篇文章将介绍CyclicBarrier这个同步工具类的以下几点

  1. 通过案例分析
  2. 两种不同构造函数测试
  3. CyclicBarrier和CountDownLatch的区别
  4. await方法及源码分析。

需求

继上一篇CountDownLatch模拟游戏加载后,现在用户点击开始按钮后,需要匹配包括自己在内的五个玩家才能开始游戏,匹配玩家成功后进入到选择角色阶段。当5位玩家角色都选择完毕后,开始进入游戏。进入游戏时需要加载相关的数据,待全部玩家都加载完毕后正式开始游戏。

解决方案

从需求中可以知道,想要开始游戏需要经过三个阶段,分别是

  1. 匹配玩家
  2. 选择角色
  3. 加载数据

在这三个阶段中,都需要互相等待对方完成才能继续进入下个阶段。
这时可以采用CyclicBarrier来作为各个阶段的节点,等待其他玩家到达,在进入下个阶段。

定义继承Runnable的类

这里名称就叫做StartGame,包含两个属性

private String player;
private CyclicBarrier barrier;

通过构造函数初始化两个属性

public StartGame(String player, CyclicBarrier barrier) {
    this.player = player;
    this.barrier = barrier;
}

run方法如下

public void run() {
    try {
        System.out.println(this.getPlayer()+" 开始匹配玩家...");
        findOtherPlayer();
        barrier.await();

        System.out.println(this.getPlayer()+" 进行选择角色...");
        choiceRole();
        System.out.println(this.getPlayer()+" 角色选择完毕等待其他玩家...");
        barrier.await();

        System.out.println(this.getPlayer()+" 开始游戏,进行游戏加载...");
        loading();
        System.out.println(this.getPlayer()+" 游戏加载完毕等待其他玩家加载完成...");
        barrier.await();


        start();
    } catch (Exception e){
        e.printStackTrace();
    }
}

其他的方法findOtherPlayer()、choiceRole()等待使用

Thread.sleep()

来模拟花费时间

编写测试代码

CyclicBarrier有两个构造函数,如下

public CyclicBarrier(int parties) {}
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {}

先来看看一个参数的构造函数

CyclicBarrier(int parties)

public static void main(String[] args) throws IOException {
    CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5);

    Thread player1 = new Thread(new StartGame("1",barrier));
    Thread player2 = new Thread(new StartGame("2",barrier));
    Thread player3 = new Thread(new StartGame("3",barrier));
    Thread player4 = new Thread(new StartGame("4",barrier));
    Thread player5 = new Thread(new StartGame("5",barrier));

    player1.start();
    player2.start();
    player3.start();
    player4.start();
    player5.start();

    System.in.read();
}

测试结果如下

CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)

CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5);

替换为

CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5, () -> {
    try {
        System.out.println("阶段完成,等待2秒...");
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println("进入下个阶段...");
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }

});

再来看看效果

可以看到在到达某个节点时,会执行实例化CyclicBarrier时传入的Runnable对象。而且每一次到达都会执行一次。

CyclicBarrier和CountDownLatch的区别

CountDownLatch CyclicBarrier
计数为0时,无法重置 计数达到0时,计数置为传入的值重新开始
调用countDown()方法计数减一,调用await()方法只进行阻塞,对计数没任何影响 调用await()方法计数减一,若减一后的值不等于0,则线程阻塞
不可重复使用 可重复使用

await方法

public int await(){}
public int await(long timeout, TimeUnit unit){}

无参的await方法这里就不做介绍了,主要介绍下有参的await方法。
有参的await方法传入两个参数,一个是时间、另一个是时间单位
当调用有参的await方法时会出现下方两个异常

java.util.concurrent.TimeoutException
java.util.concurrent.BrokenBarrierException

TimeoutException异常是指调用await方法后等待时间超过传入的时间,此时会将CyclicBarrier的状态变成broken,其他调用await方法将会抛出BrokenBarrierException异常,这时的CyclicBarrier将变得不可用,需要调用reset()方法重置CyclicBarrier的状态。

为什么这么说?
源码分析一波就可以看出来了
不管是有参还是无参的await方法都是调用CyclicBarrierdowait(boolean timed, long nanos)方法,这个方法代码太长了,截取部分贴出来

private int dowait(boolean timed, long nanos){
    //加锁、try catch代码
    final Generation g = generation;
    //判断栅栏的状态
    if (g.broken)
        throw new BrokenBarrierException();
    //...省略

    int index = --count;
    //(index == 0) 时的代码,省略

    for (;;) {
        try {
            if (!timed)
                trip.await();
            else if (nanos > 0L)
                nanos = trip.awaitNanos(nanos);
        } catch (InterruptedException ie) {}

        //判断栅栏的状态
        if (g.broken)
            throw new BrokenBarrierException();

        if (g != generation)
            return index;
        //判断是否是定时的,且已经超时了
        if (timed && nanos <= 0L) {
            //打破栅栏的状态
            breakBarrier();
            throw new TimeoutException();
        }
    }
    //解锁
}

在代码的尾部进行判断当前等待是否已经超时,如果是会调用breakBarrier()方法,且抛出TimeoutException异常,下面是breakBarrier()的代码

private void breakBarrier() {
    generation.broken = true;
    count = parties;
    trip.signalAll();
}

代码中将broken状态置为true,表示当前栅栏移除损坏状态,且重置栅栏数量,然后唤醒其他等待的线程。此时被唤醒的线程或者其他线程进入dowait方法时,都会抛出BrokenBarrierException异常

案例源代码地址:https://github.com/rainbowda/learnWay/tree/master/learnConcurrency/src/main/java/com/learnConcurrency/utils/cyclicBarrier

觉得不错的点个Star,谢谢

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