利用CyclicBarrier进行多线程编程 - Java编程基础 - 开发者的天空

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afrag

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发表于 2010-7-14 22:05 |显示全部帖子

从Java SE 5开始，在java.util.concurrent包中提供了很多线程相关的工具类，如CyclicBarrier和CountdownLatch类。在我们使用多线程进行编程的时候，这些类能够提供很大的帮助。下面我们以一个例子来说明怎样使用CyclicBarrier类。例子中的题目是一个面试题：
有一个很大的整数list，需要求这个list中所有整数的和，写一个可以充分利用多核CPU的代码，来计算结果。

一：分析题目
从题中可以看到“很大的List”以及“充分利用多核CPU”，这就已经充分告诉我们要采用多线程(任务)进行编写。具体怎么做呢？大概的思路就是分割List，每一小块的List采用一个线程(任务)进行计算其和，最后等待所有的线程(任务)都执行完后就可得到这个“很大的List”中所有整数的和。
二：具体分析和技术方案
既然我们已经决定采用多线程(任务)，并且还要分割List，每一小块的List采用一个线程(任务)进行计算其和，那么我们必须要等待所有的线程(任务)完成之后才能得到正确的结果，那么怎么才能保证“等待所有的线程(任务)完成之后输出结果呢”？这就要靠 java.util.concurrent包中的CyclicBarrier类了。它是一个同步辅助类，它允许一组线程(任务)互相等待，直到到达某个公共屏障点 (common barrier point)。在涉及一组固定大小的线程(任务)的程序中，这些线程(任务)必须不时地互相等待，此时 CyclicBarrier 很有用。简单的概括其适应场景就是：当一组线程(任务)并发的执行一件工作的时候，必须等待所有的线程(任务)都完成时才能进行下一个步骤。具体技术方案步骤如下：

* 分割List，根据采用的线程(任务)数平均分配，即list.size()/threadCounts。
* 定义一个记录“很大List”中所有整数和的变量sum，采用一个线程(任务)处理一个分割后的子List，计算子List中所有整数和(subSum)，然后把和(subSum)累加到sum上。
* 等待所有线程(任务)完成后输出总和(sum)的值。

三：详细编码实现
代码中有很详细的注释，这里就不解释了。

/**
* 计算List中所有整数的和<br>
* 采用多线程，分割List计算
* @author 飞雪无情
* @since 2010-7-12
*/
public class CountListIntegerSum {
private long sum;//存放整数的和
private CyclicBarrier barrier;//障栅集合点(同步器)
private List<Integer> list;//整数集合List
private int threadCounts;//使用的线程数
public CountListIntegerSum(List<Integer> list,int threadCounts) {
this.list=list;
this.threadCounts=threadCounts;
}
/**
* 获取List中所有整数的和
* @return
*/
public long getIntegerSum(){
ExecutorService exec=Executors.newFixedThreadPool(threadCounts);
int len=list.size()/threadCounts;//平均分割List
//List中的数量没有线程数多（很少存在）
if(len==0){
threadCounts=list.size();//采用一个线程处理List中的一个元素
len=list.size()/threadCounts;//重新平均分割List
}
barrier=new CyclicBarrier(threadCounts+1);
for(int i=0;i<threadCounts;i++){
//创建线程任务
if(i==threadCounts-1){//最后一个线程承担剩下的所有元素的计算
exec.execute(new SubIntegerSumTask(list.subList(i*len,list.size())));
}else{
exec.execute(new SubIntegerSumTask(list.subList(i*len, len*(i+1)>list.size()?list.size():len*(i+1))));
}
}
try {
barrier.await();//关键，使该线程在障栅处等待，直到所有的线程都到达障栅处
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":Interrupted");
} catch (BrokenBarrierException e) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":BrokenBarrier");
}
exec.shutdown();
return sum;
}
/**
* 分割计算List整数和的线程任务
* @author lishuai
*
*/
public class SubIntegerSumTask implements Runnable{
private List<Integer> subList;
public SubIntegerSumTask(List<Integer> subList) {
this.subList=subList;
}
public void run() {
long subSum=0L;
for (Integer i : subList) {
subSum += i;
}
synchronized(CountListIntegerSum.this){//在CountListIntegerSum对象上同步
sum+=subSum;
}
try {
barrier.await();//关键，使该线程在障栅处等待，直到所有的线程都到达障栅处
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":Interrupted");
} catch (BrokenBarrierException e) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":BrokenBarrier");
}
System.out.println("分配给线程："+Thread.currentThread().getName()+"那一部分List的整数和为：\tSubSum:"+subSum);
}
}
}

复制代码

有人可能对barrier=new CyclicBarrier(threadCounts+1);//创建的线程数和主线程main有点不解，不是采用的线程(任务)数是 threadCounts个吗？怎么为CyclicBarrier设置的给定数量的线程参与者比我们要采用的线程数多一个呢？答案就是这个多出来的一个用于控制main主线程的，主线程也要等待，它要等待其他所有的线程完成才能输出sum值，这样才能保证sum值的正确性，如果main不等待的话，那么结果将是不可预料的。

/**
* 计算List中所有整数的和测试类
* @author 飞雪无情
* @since 2010-7-12
*/
public class CountListIntegerSumMain {
/**
* @param args
*/
public static void main(String[] args) {
List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
int threadCounts = 10;//采用的线程数
//生成的List数据
for (int i = 1; i <= 1000000; i++) {
list.add(i);
}
CountListIntegerSum countListIntegerSum=new CountListIntegerSum(list,threadCounts);
long sum=countListIntegerSum.getIntegerSum();
System.out.println("List中所有整数的和为:"+sum);
}
}

复制代码

四：总结
本文主要通过一个淘宝的面试题为引子，介绍了并发的一点小知识，主要是介绍通过CyclicBarrier同步辅助器辅助多个并发任务共同完成一件工作。Java SE5的java.util.concurrent引入了大量的设计来解决并发问题，使用它们有助于我们编写更加简单而健壮的并发程序。

附mathfox提到的ExecutorService.invokeAll()方法的实现
这个不用自己控制等待，invokeAll执行给定的任务，当所有任务完成时，返回保持任务状态和结果的 Future 列表。sdh5724也说用了同步，性能不好。这个去掉了同步，根据返回结果的 Future 列表相加就得到总和了。

/**
* 使用ExecutorService的invokeAll方法计算
* @author 飞雪无情
*
*/
public class CountSumWithCallable {
/**
* @param args
* @throws InterruptedException
* @throws ExecutionException
*/
public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
int threadCounts =19;//使用的线程数
long sum=0;
ExecutorService exec=Executors.newFixedThreadPool(threadCounts);
List<Callable<Long>> callList=new ArrayList<Callable<Long>>();
//生成很大的List
List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
for (int i = 0; i <= 1000000; i++) {
list.add(i);
}
int len=list.size()/threadCounts;//平均分割List
//List中的数量没有线程数多（很少存在）
if(len==0){
threadCounts=list.size();//采用一个线程处理List中的一个元素
len=list.size()/threadCounts;//重新平均分割List
}
for(int i=0;i<threadCounts;i++){
final List<Integer> subList;
if(i==threadCounts-1){
subList=list.subList(i*len,list.size());
}else{
subList=list.subList(i*len, len*(i+1)>list.size()?list.size():len*(i+1));
}
//采用匿名内部类实现
callList.add(new Callable<Long>(){
public Long call() throws Exception {
long subSum=0L;
for(Integer i:subList){
subSum+=i;
}
System.out.println("分配给线程："+Thread.currentThread().getName()+"那一部分List的整数和为：\tSubSum:"+subSum);
return subSum;
}
});
}
List<Future<Long>> futureList=exec.invokeAll(callList);
for(Future<Long> future:futureList){
sum+=future.get();
}
exec.shutdown();
System.out.println(sum);
}
}