非阻塞同步算法实战（二）－BoundlessCyclicBarrier

本人是本文的作者，首发于ifeve（非阻塞同步算法实战（二）－BoundlessCyclicBarrier）

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前言

相比上一 篇而言，本文不需要太多的准备知识，但技巧性更强一些。因为分析、设计的过程比较复杂繁琐，也限于篇幅，所以，主要展示如何解决这些需求，和讲解代码。另外，所讲的内容也是后一篇实战中需要用到的一个工具类。

注：该工具类已分享到https://github.com/trytocatch/concurrent-tools

需求介绍

我需要编写一个同步工具，它需要提供这样几个方法：await、pass、cancel。某个线程调用await时，会被阻塞；当调用pass方法时，之前因为await而阻塞的线程将全部被解除阻塞，之后调用await的线程继续被阻塞，直到下一次调用pass。

该工具同时还维护一个版本号，await方法可以带一个目标版本号，如果当前的版本号比目标版本号新或相同，则直接通过，否则，阻塞本线程，直到到达或超过目标版本。调用pass的时候，更新版本号。

如果停止了版本更新，可使用cancel方法来解除所有因await而阻塞的线程，包括指定版本号的。此方法用于避免无谓地等待。若await发生在cancel之后，则仍将被阻塞。

因为CountDownLatch不允许重复使用，CyclicBarrier只支持固定个数的线程，并且都没有维护一个版本号，所以没有已有的类能实现上面的需求，需要自己实现。

问题分析

简单分析可知，应该维护一个队列，来保存当前被阻塞的线程，用于在pass时对它们一一解除阻塞，pass时应该使用一个新的队列，否则不方便正确处理pass前和pass后调用await的线程。

至此，问题的关键就明了了：如何将队列的替换和版本号的更新这两个操作做成原子的。

解决方案

以前在《JAVA并发编程实践》曾看到过这样一个小技巧，如果要原子地更新两个变量，那么可以创建一个新的类将它们封装起来，将这两个变量当定义成类成员变量，更新时，用CAS更新这个类的引用即可。

因为较为复杂，下面先给出完整的代码，再讲解其中的关键。

注意：上面所说pass，在代码中的具体实现为nextCycle，有两个版本，一个自动维护版本号，一个由调用者维护版本号。

/**
 * @author trytocatch@163.com
 * @time 2013-1-31
 */
public class BoundlessCyclicBarrier {
    protected final AtomicReference<VersionQueue> waitQueueRef;

    public BoundlessCyclicBarrier() {
        this(0);
    }

    public BoundlessCyclicBarrier(int startVersion) {
        waitQueueRef = new AtomicReference<VersionQueue>(new VersionQueue(startVersion));
    }

    public final void awaitWithAssignedVersion(int myVersion)
            throws InterruptedException {
        awaitImpl(true, myVersion, 0);
    }

    /**
     *
     * @param myVersion
     * @param nanosTimeout
     * @return if timeout, or be canceled and doesn't reach myVersion, returns false
     * @throws InterruptedException
     */
    public final boolean awaitWithAssignedVersion(int myVersion, long nanosTimeout) throws InterruptedException {
        return awaitImpl(true, myVersion, nanosTimeout);
    }

    public final void await() throws InterruptedException {
        awaitImpl(false, 0, 0);
    }

    /**
     *
     * @param nanosTimeout
     * @return if and only if timeout, returns false
     * @throws InterruptedException
     */
    public final boolean await(long nanosTimeout)
            throws InterruptedException {
        return awaitImpl(false, 0, nanosTimeout);
    }

    /**
     * pass and version++(some threads may not be unparked when awaitImpl is in process, but it's OK in this Barrier)
     * @return old queue version
     */
    public int nextCycle() {
        VersionQueue oldQueue = waitQueueRef.get();
        VersionQueue newQueue = new VersionQueue(oldQueue.version + 1);
        for(;;){
            if (waitQueueRef.compareAndSet(oldQueue, newQueue)) {
                for (Thread t : oldQueue.queue)
                    LockSupport.unpark(t);
                break;
            }
            oldQueue = waitQueueRef.get();
            newQueue.version = oldQueue.version + 1;
        }
        return oldQueue.version;
    }

    /**
     * pass and assign the next cycle version(caller should make sure that the newAssignVersion is right)
     * @param newAssignVersion
     */
    public void nextCycle(int newAssignVersion) {
        VersionQueue oldQueue = waitQueueRef.getAndSet(new VersionQueue(newAssignVersion));
        for (Thread t : oldQueue.queue)
            LockSupport.unpark(t);
    }

    /**
     * if version update has stopped, invoke this to awake all threads
     */
    public void cancel(){
        VersionQueue oldQueue = waitQueueRef.get();
        if (waitQueueRef.compareAndSet(oldQueue, new VersionQueue(oldQueue.version, true))) {
            for (Thread t : oldQueue.queue)
                LockSupport.unpark(t);
    }

    public final int getVersion() {
        return waitQueueRef.get().version;
    }

    private static final class VersionQueue {
        final private ConcurrentLinkedQueue queue;
        int version;
        final boolean isCancelQueue;

        VersionQueue(int curVersion){
            this(curVersion, false);
        }

        VersionQueue(int curVersion, boolean isCancelQueue) {
            this.version = curVersion;
            this.isCancelQueue = isCancelQueue;
            queue = new ConcurrentLinkedQueue();
        }
    }

    /**
     *
     * @param assignVersion is myVersion available
     * @param myVersion wait for this version
     * @param nanosTimeout wait time(nanosTimeout <=0 means that nanosTimeout is invalid) 
     * @return if timeout, or be canceled and doesn't reach myVersion, returns false 
     * @throws InterruptedException 
     */ 
    protected boolean awaitImpl(boolean assignVersion, int myVersion, 
            long nanosTimeout) throws InterruptedException { 
        boolean timeOutEnable = nanosTimeout > 0;
        long lastTime = System.nanoTime();
        VersionQueue newQueue = waitQueueRef.get();//A
        if (assignVersion && newQueue.version - myVersion >= 0)
            return true;
        while (true) {
            VersionQueue submitQueue = newQueue;//B
            submitQueue.queue.add(Thread.currentThread());//C
            while (true) {
                newQueue = waitQueueRef.get();//D
                if (newQueue != submitQueue){//E： it's a new cycle
                    if(assignVersion == false)
                        return true;
                    else if(newQueue.version - myVersion >= 0)
                        return true;
                    else if (newQueue.isCancelQueue)//F： be canceled
                        return false;
                    else//just like invoking awaitImpl again
                        break;
                }
                if (timeOutEnable) {
                    if (nanosTimeout <= 0)
                        return false;
                    LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
                    long now = System.nanoTime();
                    nanosTimeout -= now - lastTime;
                    lastTime = now;
                } else
                    LockSupport.park(this);
                if (Thread.interrupted())
                    throw new InterruptedException();
            }
        }
    }
}

代码分析

先分析一下awaitImpl方法，A和D是该方法的关键点，决定着它属于哪一个批次，对应哪一个版本。这里有个小细节，在nexeCycle,cancel解除阻塞时，该线程可能并不在队列中，因为插入队列发生在C处，这在A和D之后（虽然看起来C在D之前，但D取到的queue要在下一次循环时才被当作submitQueue），所以，在E处再进行了一次判断，开始解除阻塞时，旧队列肯定被新队列所替换，newQueue != submitQueue一定为真，就会不调用park进行阻塞了，也就不需要解除阻塞，所以即使解除阻塞时，该线程不在队列中也是没问题的。

再看E处，当进入一个新的cycle时(当前队列与提交的队列不同)，a)如果没指定版本，或者到达或超过了指定版本，则返回true；b)如果当前调用了cancel，则当前队列的isCancelQueue将为true，则不继续傻等，返回false；c)或者还未到达指定版本，break，插入到当前队列中，继续等待指定版本的到达。

如果没有进入E处的IF内，则当前线程会被阻塞，直到超时，然后返回false；或被中断，然后抛出InterruptedException；或被解除阻塞，重新进行E处的判定。

这里还有个小细节，既然cancel时，把当前的队列设置了isCancelQueue，那么之后指定版本的await会不会也直接返回了呢？其实不会的，因为它若要执行F处的判断，则先必需通过E处的判定，这意味着，当前队列已经不是提交时的那个设置了isCancelQueue的队列了。

代码中对于cancel的处理，其实并不保证cancel后，之前的await都会被解除阻塞并返回，如果cancel后，紧接着又调用了nextCycle，那么可能某线程感知不到cancel的调用，唤醒后又继续等待指定的版本。cancel的目的是在于不让线程傻等，既然恢复版本更新了，那就继续等待吧。

如果自己维护版本号，则应该保证递增。另外，版本号的设计，考虑到了int溢出的情况，版本的前后判断，我不是使用newVersion>=oldVersion，而是newVersion-oldVersion>=0，这样，版本号就相当于循环使用了，只要两个比较的版本号的差不超过int的最大值，那么都是正确的，int的最大值可是20多亿，几乎不可能出现跨度这么大的两个版本号的比较，所以，认为它是正确的。

小结

本文讲到了一个非阻塞同步算法设计时的小技巧，如果多个变量之间要维护某种特定关系，那么可以将它们封装到一个类中，再用CAS更新这个类的引用，这样就达到了：要么都被更新，要么都没被更新，保持了多个变量之间的一致性。同时需要注意的是，每次更新都必需创建新的包装对象，假如有其它更好的办法，应该避免使用该方法。