CyclicBarrier也叫回环栅栏，能够实现让一组线程运行到栅栏处并阻塞，等到所有线程都到达栅栏时再一起执行的功能。“回环”意味着CyclicBarrier可以多次重复使用，相比于CountDownLatch只能使用一次，CyclicBarrier可以节省许多资源，并且还可以在构造器中传入任务，当栅栏条件满足时执行这个任务。CyclicBarrier是使用了ReentrantLock，主要方法在执行时都会加锁，因此并发性能不是很高。
1.相关字段
//重入锁，CyclicBarrier内部通过重入锁实现线程安全
private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
//线程阻塞时的等待条件
private final Condition trip = lock.newCondition();
//需要等待的线程数
private final int parties;
//栅栏打开之后首先执行的任务
private final Runnable barrierCommand;
//记录当前的分代标记
private Generation generation = new Generation();
//当前还需要等待多少个线程运行到栅栏位置
private int count;
需要注意的是generation字段，用于标记栅栏当前处在哪一代。当满足一定的条件时（例如调用了reset方法，或者栅栏打开等），栅栏状态会切换到下一代，实际就是new一个新的Generation对象，这是CyclicBarrier的内部类，代码非常简单，如下：
private static class Generation {
boolean broken = false; //标记栅栏是否被破坏
}
实际使用的过程中，会利用generation字段判断当前是否在同一个分代，而使用broker字段判断栅栏是否被破坏。
2.构造函数
CyclicBarrier有两个重载的构造函数，构造函数只是对上述的相关字段进行初始化，如下：
public CyclicBarrier(int parties) {
this(parties, null);
}
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {
if (parties <= 0) throw new IllegalArgumentException();
this.parties = parties;
this.count = parties;
this.barrierCommand = barrierAction;
}
3.核心方法
await
await是开发时最常用到的方法了，同CountDownLatch一样，CyclicBarrier也提供了两个await方法，一个不带参数，一个带有超时参数，其内部只是简单调用了一下dowait方法：
public int await() throws InterruptedException, BrokenBarrierException {
try {
return dowait(false, 0L);
} catch (TimeoutException toe) {
throw new Error(toe); // cannot happen
}
}
public int await(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException,
BrokenBarrierException,
TimeoutException {
return dowait(true, unit.toNanos(timeout));
}
接下来看看至关重要的dowait方法：
private int dowait(boolean timed, long nanos)
throws InterruptedException, BrokenBarrierException,
TimeoutException {
final ReentrantLock lock = this.lock;
//加重入锁
lock.lock();
try {
//首先获取年龄代信息
final Generation g = generation;
//如果栅栏状态被破坏，抛出异常，例如先启动的线程调用了breakBarrier方法，后启动的线程就能够看到g.broker=true
if (g.broken)
throw new BrokenBarrierException();
//检测线程的中断状态，如果线程设置了中断状态，则通过breakBarrier设置栅栏为已破坏状态，并唤醒其他线程
//如果这里能够检测到中断状态，那只可能是在await方法外部设置的
if (Thread.interrupted()) {
breakBarrier();
throw new InterruptedException();
}
//每调用一次await，就将需要等待的线程数减1
int index = --count;
//index=0表示这是最后一个到达的线程，由该线程执行下面的逻辑
if (index == 0) { // tripped
boolean ranAction = false;
try {
final Runnable command = barrierCommand;
//如果在构造器中传入了第二个任务参数，就在放开栅栏前先执行这个任务
if (command != null)
command.run();
ranAction = true;
//正常结束，需要唤醒阻塞的线程，并换代
nextGeneration();
return 0;
} finally {
//try代码块如果正常执行，ranAction就一定等于true，而try代码块唯一可能发生异常的地方就是command.run()，
//因此这里为了保证在任务执行失败时，将栅栏标记为已破坏，唤醒阻塞线程
if (!ranAction)
breakBarrier();
}
}
// loop until tripped, broken, interrupted, or timed out
//栅栏没被破坏，线程没有被中断，且不是最后一个到达栅栏的线程，就会执行下面的自旋，排队等待
for (;;) {
try {
//没有设置超时标记，就加入等待队列
//注意，只有在最后finally语句中释放了锁，那么其他的线程是如何走到这里的呢（具体分析见文末的问题解析部分。）
if (!timed)
trip.await();
//设置了超时标记，但目前还没有超时，则继续等待
else if (nanos > 0L)
nanos = trip.awaitNanos(nanos);
} catch (InterruptedException ie) {
//如果线程等待的过程中被中断，会执行到这里
//g == generation表示当前还在同一个年龄分代中，即当前栅栏还没有放开，并且外部也没有调用reset()方法
//!g.broker表示当前栅栏状态没有被破坏，在这种情况下需要破坏当前的栅栏状态
//当最后一个线程执行完换代逻辑后（或调用了reset()方法），线程还没被唤醒的过程中发生了中断，此时g!=generation
if (g == generation && ! g.broken) {
breakBarrier();
throw ie;
} else {
//上面的条件不满足，说明：1）g!=generation,说明线程执行到这里时已经换代了，
//要么是最后一个线程正常打开栅栏之后，当前线程被中断，要么是外部调用了reset()方法，随后当前线程被中断
//2）没有换代，但是栅栏被破坏了，这种情况会在下文代码的条件语句捕获到
//无论哪种情况，都只是简单地设置一下当前线程的中断状态
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
//栅栏被破坏，抛出异常
//注意，在breakBarrier方法中会唤醒所有等待条件的线程，这些线程会执行到这里，判断栅栏已经被破坏，都会抛出异常
if (g.broken)
throw new BrokenBarrierException();
//注意：代码中breakBarrier方法和nextGeneration方法都会唤醒阻塞的线程，但是breakBarrier在上一个判断就被拦截了，
//因此走到这里的有三种情况：
//a）最后一个线程正常执行，栅栏打开导致其他线程被唤醒，此时最后一个线程执行了nextGeneration方法，导致换代，之前的一批线程全部返回
//b）栅栏被重置（调用了reset方法），此时g!=negeration，全都直接返回
//c）线程等待超时了，不属于当前代的返回就可以了，属于当前代的则要在下个条件语句中设置generation.broken = true
if (g != generation)
return index;
//如果线程等待超时，标记栅栏为破坏状态并抛出异常，如果还没超时，则自旋后又重新阻塞
if (timed && nanos <= 0L) {
breakBarrier();
throw new TimeoutException();
}
}
} finally {
//别忘了解锁
lock.unlock();
}
}
dowait的方法逻辑是：每一个调用await方法的线程都会将计数count减1，最后一个线程将count减为0时，顺带还要执行barrierCommand指定的任务，并将generation切换到下一代，当然，最重要的还是要唤醒之前在栅栏处阻塞的线程。由于trip对应的Condition对象没有任何地方会修改，因此trip.signalAll()会唤醒所有在该条件上等待的线程，如果线程在等待的过程中，其他线程将generation更新到下一代，就会出现被唤醒的线程中有部分还属于之前那一代的情况。
接下来将会对dowait用到的一些方法进行简单介绍。
breakBarrier
dowait方法有四个地方调用了breakBarrier，从名字可以看出，该方法会将generation.broken设置为true，除此之外，还会还原count的值，并且唤醒所有被阻塞的线程：
private void breakBarrier() {
generation.broken = true;
count = parties;
//唤醒所有的阻塞线程
trip.signalAll();
}
纵观CyclicBarrier源码，generation.broken统一在breakBarrier方法中被设置为true，而一旦将generation.broken设置为true之后，代码中检查到这个状态之后都会抛出异常，栅栏就没办法再使用了（可以手动调用reset进行重置）,而源码中会在以下几种情况调用breakBarrier方法：
① 当前线程被中断
② 通过构造器传入的任务执行失败
③ 条件等待时被中断
④ 线程等待超时
⑤ 显式调用reset方法
nextGeneration
private void nextGeneration() {
// 唤醒所有的阻塞线程
trip.signalAll();
// 开启下一代
count = parties;
generation = new Generation();
}
reset
reset方法主要是结束这一代，并切换到下一代
public void reset() {
final ReentrantLock lock = this.lock;
lock.lock();
try {
breakBarrier(); // break the current generation
nextGeneration(); // start a new generation
} finally {
lock.unlock();
}
}
介绍到这里，整个CyclicBarrier已经差不多介绍完了，但是内部的流程远远没有这么简单，因为很大一部分逻辑封装在AbstractQueuedSynchronizer中，这个类定义了阻塞的线程如何加入等待队列，又如何被唤醒，因此如果想要深入了解线程等待的逻辑，还需要仔细研究AbstractQueuedSynchronizer才行。本文不会对这部分内容进行介绍，后面有时间的话将会专门对其进行介绍。
4.问题解析
- 1.
dowait()方法中独占锁的释放问题
通过本文的分析可以知道，CyclicBarrier会让先到达栅栏的线程阻塞起来，等待最后一个到达的线程唤醒。在dowait()方法中用到了ReentrantLock这个独占锁，也就是说必须等待持有锁的线程释放了锁之后，其他线程才能够再次获取锁从而向下执行。然而，一个显然的问题是，锁是在dowait()方法最后的finally语句块中才释放的，第一个持有锁的线程执行到trip.await()的时候就阻塞了，那么第一个线程之后的其他线程是如何执行到trip.await()这里的呢？通过写测试代码调试可以发现，在trip.await()执行之后，锁就会被其他线程占有，相当于原来占有锁的线程释放了锁，因此秘密就在trip.await()方法中，来看看其源码（这部分代码在AQS类中）：
public final void await() throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted())
throw new InterruptedException();
//加入条件等待队列
Node node = addConditionWaiter();
//就是在这里释放了锁，需要注意的是，这里保存了当前的state值
int savedState = fullyRelease(node);
int interruptMode = 0;
//前面的addConditionWaiter()方法之后，node的状态就是CONDITION了，isOnSyncQueue(node)会返回false，将当前线程挂起
while (!isOnSyncQueue(node)) {
LockSupport.park(this);
if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
break;
}
if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
interruptMode = REINTERRUPT;
if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
unlinkCancelledWaiters();
if (interruptMode != 0)
reportInterruptAfterWait(interruptMode);
}
final int fullyRelease(Node node) {
boolean failed = true;
try {
//先获取当前的state的值，并作为结果返回
int savedState = getState();
if (release(savedState)) {
failed = false;
return savedState;
} else {
throw new IllegalMonitorStateException();
}
} finally {
if (failed)
node.waitStatus = Node.CANCELLED;
}
}
public final boolean release(int arg) {
if (tryRelease(arg)) {
Node h = head;
if (h != null && h.waitStatus != 0)
unparkSuccessor(h);
return true;
}
return false;
}
//这段代码在ReentrantLock中，其他的几个方法都在AQS内
protected final boolean tryRelease(int releases) {
//注意参数releases=1，因此下面的c=0
int c = getState() - releases;
//异常处理，对于CyclicBarrier来讲，这个就是当前持有锁的线程
if (Thread.currentThread() != getExclusiveOwnerThread())
throw new IllegalMonitorStateException();
boolean free = false;
if (c == 0) {
free = true;
//在这里清空了exclusiveOwnerThread字段，表明当前可重入锁没有线程占有
setExclusiveOwnerThread(null);
}
//将state字段设置为0，那么其他的线程在执行到lock.lock()时就能够获取到锁了
setState(c);
return free;
}
从这段代码可以看到，整个释放锁的逻辑是await -> fullyRelease -> release -> tryRelease，即最后是在tryRelease方法中设置state=0，并设置exclusiveOwnerThread=null，并在release方法中通过unparkSuccessor()方法唤醒头结点之后排队等待的节点，该节点会从lock.lock()这里继续向下执行，并且每个醒来的线程都会将count减1，如果当前醒来的线程不是最后一个线程，那么当前线程继续阻塞。这里并没有对ReentrantLock进行介绍，大家有兴趣的话可以参考ReentrantLock源码探究进行了解。
5.更新日志
- 3.19日更新了问题解析的问题1。