猿燈塔-Phaser 使用介紹

原創申明：本文由公衆號【猿燈塔】原創，轉載請說明出處標註
本文將介紹 java.util.concurrent.Phaser，一個經常被你們忽略的併發工具。它和 CyclicBarrier 以及 CountDownLatch 很像，可是使用上更加的靈活，本文會進行一些對比介紹。

和以前的文章不一樣，本文不寫源碼分析了，就只是從各個角度介紹下它是怎麼用的。本文比較簡單，我以爲對於初學者大概須要 20 分鐘左右吧。

其實我對這個須要多少時間很沒概念，有沒有讀者願意記錄下所花費的時間，在評論區反饋一下。

使用示例

咱們來實現一個小需求，啓動 10 個線程執行任務，因爲啓動時間有前後，咱們但願等到全部的線程都啓動成功之後再開始執行，讓每一個線程在同一個起跑線上開始執行業務操做。

下面，分別介紹 CountDownLatch、CyclicBarrier 和 Phaser 怎麼實現該需求。

一、這種 case 最容易使用的就是 CountDownLatch，代碼很簡單：

`// 1. 設置 count 爲 1
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(1);

for (int i = 0; i < 10; i++) {

new Thread(() -> {
    try {
        // 2. 每一個線程都等在柵欄這裏，等待放開柵欄，不會由於有些線程先啓動就先跑路了
        latch.await();

        // doWork();

    } catch (InterruptedException ignore) {
    }
}).start();

}`

doSomethingELse(); // 確保在下面的代碼執行以前，上面每一個線程都到了 await() 上。

// 3. 放開柵欄
latch.countDown();

簡單回顧一下 CountDownLatch 的原理：AQS 共享模式的典型使用，構造函數中的 1 是設置給 AQS 的 state 的。latch.await() 方法會阻塞，而 latch.countDown() 方法就是用來將 state-- 的，減到 0 之後，喚醒全部的阻塞在 await() 方法上的線程。

二、這種 case 用 CyclicBarrier 來實現更簡單：

`// 1. 構造函數中指定了 10 個 parties
CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(10);

for (int i = 0; i < 10; i++) {

executorService.submit(() -> {
    try {
        // 2. 每一個線程"報告"本身到了，
        //    當第10個線程到的時候，也就是全部的線程都到齊了，一塊兒經過
        barrier.await();

        // doWork()

    } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException ex) {
        ex.printStackTrace();
    }
});

}
`

CyclicBarrier 的原理不是 AQS 的共享模式，是 AQS Condition 和 ReentrantLock 的結合使用

CyclicBarrier 能夠被重複使用，咱們這裏只使用了一個週期，當第十個線程到了之後，全部的線程一塊兒經過，此時開啓了新的一個週期，在 CyclicBarrier 中，週期用 generation 表示。

三、咱們來介紹今天的主角 Phaser，用 Phaser 實現這個需求也很簡單：

`Phaser phaser = new Phaser();
// 1. 註冊一個 party
phaser.register();

for (int i = 0; i < 10; i++) {

phaser.register();

executorService.submit(() -> {
    // 2. 每一個線程到這裏進行阻塞，等待全部線程到達柵欄
    phaser.arriveAndAwaitAdvance();

    // doWork()
});

}
phaser.arriveAndAwaitAdvance();`

Phaser 比較靈活，它不須要在構造的時候指定固定數目的 parties，而 CountDownLatch 和 CyclicBarrier 須要在構造函數中明確指定一個數字。

咱們能夠看到，上面的代碼總共執行了 11 次 phaser.register() ，能夠把 11 理解爲 CountDownLatch 中的 count 和 CyclicBarrier 中的 parties。

這樣讀者應該很容易理解 phaser.arriveAndAwaitAdvance() 了，這是一個阻塞方法，直到該方法被調用 11 次，全部的線程才能同時經過。

這裏和 CyclicBarrier 是一個意思，湊齊了全部的線程，一塊兒經過柵欄。 Phaser 也有周期的概念，一個週期定義爲一個 phase，從 0 開始。

Phaser 介紹

上面咱們介紹了 Phaser 中的兩個很重要的接口，register() 和 arriveAndAwaitAdvance()，這節咱們來看它的其餘的一些重要的接口使用。

畫一張圖壓着：

重要接口介紹

Phaser 仍是有 parties 概念的，可是它不須要在構造函數中指定，而是能夠很靈活地動態增減。

咱們來看 3 個代碼片斷，看看 parties 是怎麼來的。

`一、首先是 Phaser 有一個帶 parties 參數的構造方法：

public Phaser(int parties) {

this(null, parties);

}

二、register() 方法：

public int register() {

return doRegister(1);

}

這個方法會使得 parties 加 1

三、bulkRegister(int parties) 方法：

public int bulkRegister(int parties) {

if (parties < 0)
    throw new IllegalArgumentException();
if (parties == 0)
    return getPhase();
return doRegister(parties);

}`

一次註冊多個，這個方法會使得 parties 增長相應數值

parties 也能夠減小，由於有些線程可能在執行過程當中，不和你們玩了，會進行退出，調用 arriveAndDeregister() 便可，這個方法的名字已經說明了它的用途了。

再看一下這個圖，phase-1 結束的時候，黑色的線程離開了你們，此時就只有 3 個 parties 了。

這裏說一下 Phaser 的另外一個概念 phase，它表明 Phaser 中的週期或者叫階段，phase 從 0 開始，一直往上遞增。

經過調用 arrive() 或 arriveAndDeregister() 來標記有一個成員到達了一個 phase 的柵欄，當全部的成員都到達柵欄之後，開啓一個新的 phase。

這裏咱們來看看和 phase 相關的幾個方法：

一、arrive()

這個方法標記當前線程已經到達柵欄，可是該方法不會阻塞，注意，它不會阻塞。

你們要理解一點，party 本和線程是沒有關係的，不能說一個線程表明一個 party，由於咱們徹底能夠在一個線程中重複調用 arrive() 方法。這麼表達純粹是方便理解用。

二、arriveAndDeregister()

和上面的方法同樣，當前線程經過柵欄，非阻塞，可是它執行了 deregister 操做，意味着總的 parties 減 1。

三、arriveAndAwaitAdvance()

這個方法應該一目瞭然，就是等其餘線程都到了柵欄上再一塊兒經過，進入下一個 phase。

四、awaitAdvance(int phase)

這個方法須要指定 phase 參數，也就是說，當前線程會進行阻塞，直到指定的 phase 打開。

五、protected boolean onAdvance(int phase, registeredParties)

這個方法是 protected 的，因此它不是 phaser 提供的 API，從方法名字上也能夠看出，它會在一個 phase 結束的時候被調用。

它的返回值表明是否應該終結（terminate）一個 phaser，之因此拿出來講，是由於咱們常常會見到有人經過覆寫該方法來自定義 phaser 的終結邏輯，如：

`protected boolean onAdvance(int phase, int registeredParties) {

return phase >= N || registeredParties == 0;

}`

一、咱們能夠經過 phaser.isTerminated() 來檢測一個 phaser 實例是否已經終結了 二、當一個 phaser 實例被終結之後，register()、arrive() 等這些方法都沒有什麼意義了，你們能夠玩一玩，觀察它們的返回值，本來應該返回 phase 值的，可是這個時候會返回一個負數。

Phaser 的監控方法

介紹下幾個用於返回當前 phaser 狀態的方法：

getPhase()：返回當前的 phase，前面說了，phase 從 0 開始計算，最大值是 Integer.MAX_VALUE，超過又從 0 開始

getRegisteredParties()：當前有多少 parties，隨着不斷地有 register 和 deregister，這個值會發生變化

getArrivedParties()：有多少個 party 已經到達當前 phase 的柵欄

getUnarrivedParties()：尚未到達當前柵欄的 party 數

Phaser 的分層結構

Tiering 這個詞自己就很差翻譯，你們將就一下，要表達的意思就是，將多個 Phaser 實例構形成一棵樹。

一、第一個問題來了，爲何要把多個 Phaser 實例構形成一棵樹，解決什麼問題？有什麼優勢？

Phaser 內部用一個 state 來管理狀態變化，隨着 parties 的增長，併發問題帶來的性能影響會愈來愈嚴重。

/**
* 0-15: unarrived
* 16-31: parties， 因此一個 phaser 實例最大支持 2^16-1=65535 個 parties
* 32-62: phase， 31 位，那麼最大值是 Integer.MAX_VALUE，達到最大值後又從 0 開始
* 63: terminated
*/
private volatile long state;

一般咱們在說 0-15 位這種，說的都是從低位開始的

state 的各類操做依賴於 CAS，典型的無鎖操做，可是，在大量競爭的狀況下，可能會形成不少的自旋。

而構造一棵樹就是爲了下降每一個節點（每一個 Phaser 實例）的 parties 的數量，從而有效下降單個 state 值的競爭。

二、第二個問題，它的結構是怎樣的？

這裏咱們不講源碼，用通俗一點的語言表述一下。咱們先寫段代碼構造一棵樹：

`Phaser root = new Phaser(5);

Phaser n1 = new Phaser(root, 5);
Phaser n2 = new Phaser(root, 5);

Phaser m1 = new Phaser(n1, 5);
Phaser m2 = new Phaser(n1, 5);
Phaser m3 = new Phaser(n1, 5);

Phaser m4 = new Phaser(n2, 5);`

根據上面的代碼，咱們能夠畫出下面這個很簡單的圖：

這棵樹上有 7 個 phaser 實例，每一個 phaser 實例在構造的時候，都指定了 parties 爲 5，可是，對於每一個擁有子節點的節點來講，每一個子節點都是它的一個 party，咱們能夠經過 phaser.getRegisteredParties() 獲得每一個節點的 parties 數量：

• m一、m二、m三、m4 的 parties 爲 5
• n1 的 parties 爲 5 + 3，n2 的 parties 爲 5 + 1
• root 的 parties 爲 5 + 2

結論應該很是容易理解，咱們來闡述一下過程。

在子節點註冊第一個 party 的時候，這個時候會在父節點註冊一個 party，注意這裏說的是子節點添加第一個 party 的時候，而不是說實例構造的時候。

在上面代碼的基礎上，你們能夠試一下下面的這個代碼：

`Phaser m5 = new Phaser(n2);
System.out.println("n2 parties: " + n2.getRegisteredParties());
m5.register();
System.out.println("n2 parties: " + n2.getRegisteredParties());`

第一行代碼中構造了 m5 實例，可是此時它的 parties == 0，因此對於父節點 n2 來講，它的 parties 依然是 6，因此第二行代碼輸出 6。第三行代碼註冊了 m5 的第一個 party，顯然，第四行代碼會輸出 7。

當子節點的 parties 降爲 0 的時候，會從父節點中"剝離"，咱們在上面的基礎上，再加兩行代碼：

`m5.arriveAndDeregister();
System.out.println("n2 parties: " + n2.getRegisteredParties());`

因爲 m5 以前只有一個 parties，因此一次 arriveAndDeregister() 就會使得它的 parties 變爲 0，此時第二行代碼輸出父節點 n2 的 parties 爲 6。

還有一點有趣的是（其實也不必定有趣吧），在非樹的結構中，此時 m5 應該處於 terminated 狀態，由於它的 parties 降爲 0 了，不過在樹的結構中，這個狀態由 root 控制，因此咱們依然能夠執行 m5.register()...

三、每一個 phaser 實例的 phase 週期有快有慢，怎麼協調的？

在組織成樹的這種結構中，每一個 phaser 實例的 phase 已經不受本身控制了，由 root 來統一協調，也就是說，root 當前的 phase 是多少，每一個 phaser 的 phase 就是多少。

那又有個問題，若是子節點的一個週期很快就結束了，要進入下一個週期怎麼辦？須要等！這個時候其實要等全部的節點都結束當前 phase，由於只有這樣，root 節點纔有可能結束當前 phase。

我以爲 Phaser 中的樹結構咱們要這麼理解，咱們要把整棵樹當作一個 phaser 實例，每一個節點只是輔助用於下降併發而存在，整棵樹仍是須要知足 Phaser 語義的。

四、這種樹結構在什麼場景下會比較實用？設置每一個節點的 parties 爲多少比較合適？

這個問題留給讀者思考吧。

（全文完）

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