Barrier实现并发同步

Barrier，中文被译为屏障。在C#中，可以用来实现多任务在多阶段中协同工作。通俗来讲，就是多个线程在执行到某个被共同指定步骤(即Barrier.SignalAndWait())的时候，就像遇到了屏障一样，必须等待其他还未执行到该步骤的线程。如果每个线程都执行到了该步骤，则大家又继续执行各自的逻辑。

Barrier对象可防止并行操作中的各个任务在所有任务到达屏障前继续执行。 如果并行操作分阶段执行，且每个阶段需要在任务之间进行同步，此对象就很有用。

在实例化Barrier对象的时候，还可以指定一个Action委托，该委托会在所有任务到达屏障后立即执行，接着各个任务又继续执行它们各自的逻辑。该Action委托只与Barrier对象关联，无论有多少个任务，只要它们都达到屏障后，该Action委托就会执行一次。

Barrier.SignalAndWait()该方法会通知Barrier对象，一个线程已经到达了屏障，需要等待其他还未到达屏障的线程。

1、普通使用方式

代码如下所示：

        //指定3个并行任务，当三个并行任务到达屏障后，就执行预先定义的Action委托
        //如果有第4个任务执行了SignalAndWait()方法，就会报错，因为当前Barrier对象只指定了3个可以并行的任务数量
        static Barrier barrier=new Barrier(3, it =>
        {
            Console.WriteLine($"Barrier委托 开始执行");
            Console.WriteLine($"Barrier委托 获取Barrier.CurrentPhaseNumber={barrier.CurrentPhaseNumber}");
            Thread.Sleep(2000);
            Console.WriteLine($"Barrier委托 执行完毕");
        });

        static void WorkOnBarrierOne(string threadName)
        {
            Console.WriteLine($"{threadName} 开始执行");
            Console.WriteLine($"{threadName} 获取Barrier.CurrentPhaseNumber={barrier.CurrentPhaseNumber}");
            Console.WriteLine($"{threadName} 到达屏障");
            barrier.SignalAndWait();
            Console.WriteLine($"{threadName} 再次获取Barrier.CurrentPhaseNumber={barrier.CurrentPhaseNumber}");
            Console.WriteLine($"{threadName} 执行完毕");
        }

        static void WorkOnBarrierTwo(string threadName) {
            Console.WriteLine($"{threadName} 开始执行");
            Console.WriteLine($"{threadName} 获取Barrier.CurrentPhaseNumber={barrier.CurrentPhaseNumber}");
            Thread.Sleep(1000);
            Console.WriteLine($"{threadName} 到达屏障");
            barrier.SignalAndWait();
            Console.WriteLine($"{threadName} 再次获取Barrier.CurrentPhaseNumber={barrier.CurrentPhaseNumber}");
            Console.WriteLine($"{threadName} 执行完毕");
        }

Main方法中的代码：

            Thread t1 = new Thread(() => WorkOnBarrierOne("线程1"));
            Thread t2 = new Thread(() => WorkOnBarrierTwo("线程2"));
            t1.Start();
            t2.Start();

            Console.WriteLine($"主线程 到达屏障");
            barrier.SignalAndWait();
            Console.WriteLine($"主线程 获取Barrier.CurrentPhaseNumber={barrier.CurrentPhaseNumber}");
            Console.WriteLine($"主线程 执行完毕");

结果：

 从结果中可以看出，只有指定的所有线程到达屏障(Barrier.SignalAndWait()方法处)之后，在Barrier对象中预先定义的Action委托就会执行，Action委托执行完毕之后，Barrier的CurrentPhaseNumber就会自增1，即表示当前阶段数量自增1。

Barrier可以执行很多阶段，可以将Barrier.SignalAndWait()方法放在一个循环代码中。

2、超时等待

可以在Barrier.SignalAndWait(int millisecondsTimeout)中使用超时等待结果。如果等待超时，则返回false，未超时，则返回true。

在超时等待之后，需要移除一个参与者，否则其他的线程就会一直阻塞等待。

因为超时等待后，就像一个人先跑了，而其他人到达屏障后并不知道有人先跑掉，他们会一直等待，因为只有人数在聚齐的情况下，他们才会又各自散去。

而此时，将先跑的人数减少，则剩下的就有机会聚齐。

Main代码如下所示：

            Thread t1 = new Thread(() => WorkOnBarrierOne("线程1"));
            Thread t2 = new Thread(() => WorkOnBarrierTwo("线程2"));
            t1.Start();
            t2.Start();

            Console.WriteLine($"主线程 到达屏障");
            //等待超时后，Barrier.SignalAndWait()会返回false，没有超时，会返回true
            if (!barrier.SignalAndWait(1000))
            {
                Console.WriteLine($"主线程 到达屏障后等待超时");
                //等待超时后，需要移除一个参与者，否则其他的线程就会一直等待
                //因为超时等待后，就像一个人先跑了，而其他人到达屏障后并不知道有人先跑掉，他们会一直等待，因为只有人数在聚齐的情况下，他们才会又各自散去
                //而此时，将先跑的人数减少，则剩下的就有机会聚齐
                barrier.RemoveParticipant();
            }

            Console.WriteLine($"主线程 获取Barrier.CurrentPhaseNumber={barrier.CurrentPhaseNumber}");
            Console.WriteLine($"主线程 执行完毕");

超时结果如下所示：

参考文献：https://docs.microsoft.com/zh-cn/dotnet/standard/threading/barrier