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十一、移相器 Phaser

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移相器 Phaser

1. 前言

本节带领大家认识第四个常用的 Java 并发工具类之 Phaser。

本节先介绍 Phaser 工具类表达的概念和最基本用法,接着通过一个生活中的例子为大家解释 Phaser 工具类的使用场合,然后通过简单的编码实现此场景,最后带领大家熟悉 Phaser 工具类的其他重要方法。

下面我们正式开始介绍吧。

2. 概念解释

Phaser 表示 “阶段器”,一个可重用的同步 barrier,与 CyclicBarrier 相比,Phaser 更灵活,而且侧重于 “重用”。Phaser 中允许 “注册的同步者(parties)” 随时间而变化。Phaser 可以通过构造器初始化 parties 个数,也可以在 Phaser 运行期间随时加入新的 parties,以及在运行期间注销 parties。

是不是又强大又抽象,没关系,我们通过一张图可以直白了解其提供的逻辑模型。
20210321215751063.jpg
概念已经了解了,Phaser 工具类最基本的用法是怎样的呢?看下面。

3. 基本用法

// 创建一个 Phaser 对象
Phaser phaser = new Phaser();

// 将线程 m 作为同步者之一进行同步控制注册
phaser.register();
// 线程 m 开始处理逻辑
...
// 线程 m 等待同一周期内,其他线程到达,然后进入新的周期,并继续同步进行
phaser.arriveAndAwaitAdvance();
...

// 线程 m 执行完毕后做同步控制注销
phaser.arriveAndDeregister();

这个工具类相对而言比较复杂,大家不要着急,结合后面的案例仔细体会。Phaser 应用在哪些场合比较合适呢?下面我们给出最常用的场景说明。

4. 常用场景

Phaser 适合用于具有多阶段处理的任务,在每个阶段有多个线程并行处理的场景。这样描述很抽象,我们举一个生活中的例子:有一个开发小组总共 4 个人,约定一起去旅游。计划一起出发,先去景点 A 自有活动,3 个小时后去景点 B 自有活动,2 个小时候后活动结束统一集合。这个场景中 4 个人相当于 4 个线程,分了 4 个阶段完成了整个计划。像类似这样的场景很适合用 Phaser 解决。请看下面代码。

5. 场景案例

public class PhaserTest {
    // 先构建一个阶段器对象
    private static TravelPhaser travelPhaser = new TravelPhaser();
    // 主逻辑
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建 5 个线程代表每一位同事
        for (int i = 1; i < 5; i++) {
            // 对每一个需要同步控制的线程进行同步控制注册
            travelPhaser.register();
            // 模拟每一位同事开始旅游行动
            Thread thread = new Thread(new Colleague(travelPhaser), "同事" + i);
            thread.start();
        }
    }
}

上述代码在注册好需要同步控制的所有线程之后,开启了每一个线程(每位同事)的处理。每一个线程(每位同事)如何行动呢,代码如下:

import java.util.Random;

/**
 * 模拟人以及旅游的各类状态
 */
public class Colleague implements Runnable {
    private TravelPhaser travelPhaser;
    public Colleague(TravelPhaser travelPhaser) {
        this.travelPhaser = travelPhaser;
    }

    /**
     * 模拟每位同事的动作
     */
    @Override
    public void run() {
        doAnything();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "到达出发集合地");
        travelPhaser.arriveAndAwaitAdvance();

        doAnything();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "已经在景点 A 自由活动结束");
        travelPhaser.arriveAndAwaitAdvance();

        doAnything();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "已经在景点 B 自由活动结束");
        travelPhaser.arriveAndAwaitAdvance();

        doAnything();
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "到达返程集合地");
        travelPhaser.arriveAndAwaitAdvance();
    }

    /**
     * 模拟用时
     */
    private void doAnything() {
        try {
            Thread.sleep(new Random().nextInt(10000));
        } catch (Exception e) {}
    }
}

上述代码模拟了每位同事的旅游过程。代码中使用了 arriveAndAwaitAdvance () 进行每个旅游阶段的控制。我们再接着看对旅游各个阶段的自定义控制:

import java.util.concurrent.Phaser;

/**
 * 对每一个阶段进行自定义控制
 */
public class TravelPhaser extends Phaser {

    protected boolean onAdvance(int phase, int registeredParties) {
        switch (phase) {
            // 第1阶段,旅游前的集合
            case 0:
                System.out.println("出发前小组人员集合完毕,总人数:"+getRegisteredParties());
                return false;
            // 第2阶段,景点 A 游玩
            case 1:
                System.out.println("景点 A 游玩结束");
                return false;
            // 第3阶段,景点 B 游玩
            case 2:
                System.out.println("景点 B 游玩结束");
                return false;
            // 第4阶段,旅游结束返程集合
            case 3:
                System.out.println("所有活动结束后小组人员集合完毕,总人数:"+getRegisteredParties());
                return true;
            default:
                return true;
        }
    }
}

上述代码只是在各个阶段打印了一些描述信息,实际中可以做更多的逻辑控制。运行上面代码,我们观察一下运行结果。

同事1到达出发集合地
同事4到达出发集合地
同事2到达出发集合地
同事3到达出发集合地
出发前小组人员集合完毕,总人数:4
同事3已经在景点 A 自由活动结束
同事2已经在景点 A 自由活动结束
同事1已经在景点 A 自由活动结束
同事4已经在景点 A 自由活动结束
景点 A 游玩结束
同事4已经在景点 B 自由活动结束
同事2已经在景点 B 自由活动结束
同事1已经在景点 B 自由活动结束
同事3已经在景点 B 自由活动结束
景点 B 游玩结束
同事2到达返程集合地
同事3到达返程集合地
同事1到达返程集合地
同事4到达返程集合地
所有活动结束后小组人员集合完毕,总人数:4

观察结果,和我们的预期一致。注意体会 Phaser 提供的多线程共同协作的模型。

6. 其他方法介绍

除过上面代码中使用的最基本的 register ()、arriveAndAwaitAdvance ()、arriveAndDeregister ()、getRegisteredParties () 方法之外,还有下面几个方法大家可以了解一下。

  1. awaitAdvance (int phase) 方法。
    具有阻塞功能,等待 phase 周期数下其他所有的 parties 都到达后返回。如果指定的 phase 与当前的 phase 不一致,则立即返回。
  2. awaitAdvanceInterruptibly (int phase) 方法。
    同 awaitAdvance 类似,但支持中断响应,即 waiter 线程如果被外部中断,则此方法立即返回。
  3. forceTermination () 方法。
    用于强制终止 phase,此后 Phaser 对象将不可用,即 register 等将不再有效。

7. 小结

本节介绍了 Phaser 基本概念原理,并且通过一个简单的例子,介绍了其使用场景和基本用法。希望大家在学习过程中,多思考勤练习,早日掌握之。

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