当前位置：首页 > news >正文

【多线程】屏障（Barrier）

news 2025/10/11 6:22:29

【多线程】屏障（Barrier）

本文来自于我关于多线程系列文章。欢迎阅读、点评与交流
1.【多线程】互斥锁（Mutex）是什么？
2.【多线程】临界区（Critical Section）是什么？
3.【多线程】计算机领域中的各种锁
4.【多线程】信号量（Semaphore）是什么？
5.【多线程】信号量（Semaphore）常见的应用场景
6.【多线程】条件变量（Condition Variable）是什么？
7.【多线程】监视器（Monitor）是什么？
8.【多线程】什么是原子操作(Atomic Operation)?
9.【多线程】竞态条件（race condition）是什么？
10.【多线程】无锁数据结构（Lock-Free Data Structures）是什么？
11.【多线程】线程休眠（Thread Sleep）的底层实现
12.【多线程】多线程的底层实现
13.【多线程】读写锁（Read-Write Lock）是什么？
14.【多线程】死锁（deadlock）
15.【多线程】线程池（Thread Pool）
16.【多线程】忙等待/自旋(Busy Waiting/Spinning)
17.【多线程】屏障（Barrier）
18.【多线程硬件机制】总线锁（Bus Lock）是什么？
19.【多线程硬件机制】缓存锁（Cache Lock）是什么？

屏障（Barrier）是一种同步机制，它允许多个线程相互等待，直到所有参与线程都到达一个共同的执行点（即屏障点），然后这些线程才能继续执行。

一个生动的比喻：集体自驾游

想象一个由多辆车组成的自驾游车队，他们计划从不同地方出发，在第一个服务区（屏障点）集合。

规则是：必须所有车辆都到达服务区后，车队才能一起出发前往下一个目的地。
过程：
1. 跑得快的车先到服务区，它必须停下来等待。
2. 跑得慢的车后到服务区，它也同样停下来。
3. 当最后一辆车也抵达服务区时，所有车辆才能同时重新发动，继续前行。

在这个比喻中：

每辆车 就是一个线程。
服务区 就是屏障。
“所有车都到达” 这个条件就是释放条件。

屏障的正式定义与核心思想

屏障用于协调多个并行线程，让它们在程序中的一个或多个特定点上进行同步。其核心思想是 “同进同退”——所有线程必须都到达屏障点，然后才能一起被释放，继续执行后续代码。如果有一个线程没到达，其他先到的线程都必须阻塞等待。

这与锁或 信号量 的同步模式有本质区别：

锁/信号量：通常用于保护临界区，保证同一时间只有一個/固定数量的线程能访问资源。关注的是 “互斥”。
屏障：用于保证所有线程都完成了一个阶段的工作，然后才能一起进入下一个阶段。关注的是 “协同”。

为什么需要屏障？它的用途是什么？

屏障主要用于解决 分阶段任务 的同步问题。

并行计算：
- 在很多并行算法中，一个任务可以被分成多个子任务由不同线程并行处理，但必须等所有子任务都完成后，才能进行下一阶段的计算或结果合并。
- 例子：并行排序、并行矩阵运算。
模拟系统：
- 在游戏或科学模拟中，需要计算所有物体在当前时刻的状态（并行计算），然后所有计算完成后，才能一起更新到下一时刻的世界状态。
数据预处理与后处理：
- 在主任务开始前，需要多个线程分别加载不同的资源（如游戏地图、角色模型、音效）。必须等所有资源都加载完毕（所有线程到达屏障），游戏才能开始。
- 任务结束后，可能需要多个线程一起清理资源。

一个简单的代码示例（使用 Java `CyclicBarrier`）

Java中提供了一个非常经典的屏障实现：CyclicBarrier。它的名字中的“Cyclic”意味着它可以循环使用——在所有等待线程被释放后，屏障会自动重置到初始状态，可以再次用于下一轮的同步。

import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;public class CyclicBarrierDemo {public static void main(String[] args) {// 1. 创建一个屏障，参与线程数为3，并定义一个“聚合点”后执行的任务int threadCount = 3;CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(threadCount, () -> {// 当所有线程都到达屏障后，由最后一个到达的线程执行这个RunnableSystem.out.println("\n所有士兵都已到达集合点！继续向下一目标前进！\n");});// 2. 创建并启动多个士兵线程for (int i = 1; i <= threadCount; i++) {new Thread(new Soldier("士兵" + i, barrier)).start();}}static class Soldier implements Runnable {private final String name;private final CyclicBarrier barrier;public Soldier(String name, CyclicBarrier barrier) {this.name = name;this.barrier = barrier;}@Overridepublic void run() {try {// 模拟从不同地方赶往集合点System.out.println(name + " 正在赶往集合点...");Thread.sleep((long) (Math.random() * 5000)); // 模拟花费不同时间System.out.println(name + " 到达集合点！等待其他士兵...");// 在此等待其他线程barrier.await(); // 核心方法：等待直到所有线程都调用await()// 所有线程都到达屏障后，才会继续执行下面的代码System.out.println(name + " 开始执行后续任务！");} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {e.printStackTrace();}}}
}

可能的运行结果：

士兵1 正在赶往集合点...
士兵2 正在赶往集合点...
士兵3 正在赶往集合点...
士兵1 到达集合点！等待其他士兵...
士兵3 到达集合点！等待其他士兵...
士兵2 到达集合点！等待其他士兵...所有士兵都已到达集合点！继续向下一目标前进！士兵2 开始执行后续任务！
士兵3 开始执行后续任务！
士兵1 开始执行后续任务！

关键点分析：

barrier.await() 是每个线程等待的方法。
前两个到达的线程（如士兵1和3）会在此阻塞。
当最后一个线程（士兵2）调用 await() 时，屏障条件满足。
1. 首先，执行可选的 Runnable 任务（打印“所有士兵…”）。
2. 然后，所有三个线程 被同时唤醒，继续执行它们 await() 方法之后的代码。

屏障与另一个相似概念：闭锁

闭锁是另一种同步工具类，它允许一个或多个线程等待，直到在其他线程中执行的一系列操作完成。

特性	闭锁	屏障
核心目标	等待事件发生	等待其他线程
状态	一次性。事件发生后，门闩永远打开。	可循环使用。自动重置，可用于下一阶段。
常用场景	等待资源初始化完成、等待所有服务启动	并行分阶段计算、迭代算法的同步