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## 33 分阶段执行你的任务-学习使用Phaser运行多阶段任务 > 青年是学习智慧的时期,中年是付诸实践的时期。 > —— 卢梭 本节我们学习的 Phaser,自 Java 7 出现,在功能上和 CyclicBarrier 及 CountDownLatch 很相似,不过更为灵活。我们回想 CyclicBarrier 的使用,在初始化时需要指定参与者数量,并且无法更改。而 Phaser 可以灵活的添加参与者,以及动态注销参与者,从而更加灵活地协同线程工作。 ## 1、Phaser API 介绍 Phaser 从名称可以看出,它对线程协同的重点是任务阶段。phaser 中维护了所处阶段的数值。其实 CyclicBarrier 也可以实现类似的功能,但无法应对更为复杂的场景。Phaser 会更为的灵活,这体现着它对参与者的动态增减。并且参与者可以选择到达屏障点后是否阻塞。我们先看 Phaser 中涉及到的两个重要概念: 1. phase。Phaser 对阶段进行管理,而 phase 就是阶段,可以是阶段 1、阶段 2、阶段 3…… 当所有的参与者到达某个阶段屏障点时,phaser 会进入下一个阶段; 2. party。参与者,Phase r 中会记录参与者的数量,可以通过 register 方法来添加,或者通过 arriveAndDeregister 来注销。 接下来我们看一下 Phaser 的主要 API: 1. register ():参与者数量加一; 2. arrive ():参与者到达屏障点,到达数量加一。但是不会阻塞调用此方法的线程; 3. arriveAndAwaitAdvance ():参与者到达屏障点,到达数量加一。阻塞线程直到所有的参与者到达该 phase 轮次; 4. arriveAndDeregister ():参与者到达屏障点,到达数量加一。然后从 Phase 注销掉一个参与者,参与者减一; 5. awaitAdvance (int phase):阻塞所有的参与者到达该 phaser 的指定轮次。如果当前轮次和 phase 值不同或者 phase 已被终止时,会立即返回; 6. awaitAdvanceInterruptibly (int phase):功能同上,但是可以被打断; 7. awaitAdvanceInterruptibly (int phase, long timeout, TimeUnit unit):功能同上,但是只阻塞指定的时长; 8. bulkRegister (int parties):批量注册参与者; 9. forceTermination ():终止当前 phaser,改变其状态为 termination; 10. onAdvance ():阶段达成时被调用,子类可以对其重写。。 ## 2、Phaser 使用示例 网上有很多 Phaser 的使用范例,但其实绝大多数并没有体现出 Phaser 的优势来,看完之后反而觉得用 CyclicBarrier 也是能直接实现。其实 Phaser 的优势体现在对参与者数量动态管理上。下面我们写一个简单的例子,来看看 Phaser 如何使用。 我们设想如下场景:期末考试到了,软件学院三个班共有 60 个学生一起参加考试,全部交卷后,有 3 个老师做判卷的工作,再由 3 位辅导员公布成绩。 这个过程中分为三个阶段: 1. 学生考试,参与者 50 2. 老师判卷,参与者 3 3. 辅导员公布成绩,参与者 3 这个过程使用一个 CyclicBarrier 是无法实现的,因为 CyclicBarrier 的参与者数量无法变化。为了日志的简洁,下面的代码只模拟 10 个学生考试: ~~~java public class Client { public static void main(String[] args) { Phaser phaser = new Phaser(); //主线程注册 phaser.register(); //10个学生线程分别启动开始考试,然后交卷,交卷后通知phaser已到达并且注销 IntStream.range(1,10).forEach(number->{ phaser.register(); Thread student= new Thread(()->{ try { TimeUnit.SECONDS.sleep(5); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("学生"+number+"交卷"); phaser.arriveAndDeregister(); }); student.start(); }); //学生并行考试时,主线程会先执行到此行代码,但由于本phase还没有达成,所以阻塞在此 phaser.arriveAndAwaitAdvance(); //所有学生达成后,开始新的phase,下面启动三个老师线程,开始判卷 IntStream.range(1,3).forEach(number->{ phaser.register(); Thread teacher= new Thread(()->{ try { TimeUnit.SECONDS.sleep(3); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } System.out.println("老师"+number+"判卷完成"); phaser.arriveAndDeregister(); }); teacher.start(); }); //老师判卷时,主线程会先执行到此行代码,但由于本phase还没有达成,所以阻塞在此 phaser.arriveAndAwaitAdvance(); //所有老师都达成后,开始新的phase,下面启动三个辅导员线程,公布成绩 IntStream.range(1,3).forEach(number->{ phaser.register(); Thread counsellor= new Thread(()->{ System.out.println("辅导员"+number+"公布成绩完成"); phaser.arriveAndDeregister(); }); counsellor.start(); }); } ~~~ 1、首先主线程进行 register,因为主线程要使用 phaser 来控制流程,它也是参与者之一; 2、然后起 10 个学生线程考试、交卷。注意起线程前需要通过 phaser.register () 来注册参与者; 3、接下来主线程 phaser.arriveAndAwaitAdvance (); 这个方法会阻塞,直到所有的子线程执行了 phaser.arriveAndDeregister (),此时进入下一个 phase; 4、创建三个 teacher 线程进行判卷,和 student 线程一样,需要先注册自己,输出判卷完成后,调用 phaser.arriveAndAwaitAdvance (),通知 phaser 自己已经到达并且要注销; 5、主线程还是调用 phaser.arriveAndAwaitAdvance (); 阻塞,等待所有老师线程 arrive。然后继续执行; 6、创建 3 个 counsellor 线程。先注册自己,公布成绩后,调用 phaser.arriveAndAwaitAdvance (),通知 phaser 自己已经到达并且要注销。 主流程通过 phaser.arriveAndAwaitAdvance () 来阻塞,控制主流程在上一 phase 完成后才进入下个 phase。在每个 phase 中会有多个线程同时执行。 程序输出如下: ~~~ 学生8交卷 学生1交卷 学生9交卷 学生2交卷 学生3交卷 学生6交卷 学生7交卷 学生4交卷 学生5交卷 学生10交卷 老师3判卷完成 老师1判卷完成 老师2判卷完成 辅导员1公布成绩完成 辅导员2公布成绩完成 辅导员3公布成绩完成 ~~~ 可以看到和我们预想的一模一样。阶段间串行,阶段内并行。 下面总结一下我们使用到的 phaser 的方法: 1、new Phaser ()。创建新的 Phaser,并且参与者为 0; 2、phaser.register (); 增加参与者; 3、phaser.arriveAndDeregister (); 参与者到达,并且注销掉参与者。这个方法不会阻塞; 4、phaser.arriveAndAwaitAdvance (); 阻塞等待阶段达成。 ## 3、Phaser 实现原理解析 下面我们分析一下 Phaser 的实现原理。我们先来理解 Phaser 中有一个很关键的属性 status。 ~~~java private volatile long state; ~~~ 这个 long 类型的 status 在不同 bit 位保存了 Phaser 状态相关的四种属性,具体如下: 0-15 位:还未到达屏障的参与者数量 16-31 位:参与者数量 32-62 位:phase 的轮次 63 位:标识是否被终止 可以看到与 Phaser 状态相关的数据都包含在 state 之中。不分开保存的原因是多个属性不能通过 CAS 的方式做原子操作。把这些属性组合起来,可以通过 CAS 方式更新确保线程安全,并且变相做到了多个属性更新的原子操作。 Phaser 中有两个链表保存等待的线程: ~~~java private final AtomicReference<QNode> evenQ; private final AtomicReference<QNode> oddQ; ~~~ 这是为了消除添加和释放线程等待的争抢。所以根据 phaser 轮次的奇偶,保存在不同的链表中。 这里就不再展开将 Phaser 的源代码了,简单讲一下源代码中的实现原理。首先我们知道 state 保存了 4 种状态,所以更新状态的时候要把 status 中相应属性增减的数值换算为相应位数对应的整数,然后通过 CAS 的方式进行修改。 比如通过调用 arrive 方法,需要减少一个未到达屏障的参与者,也就是要对 state 的 0-1 5 位 - 1。由于为低位 -1,所以直接对 state 减一即可。如下,adjust 的值为 1: ~~~java (UNSAFE.compareAndSwapLong(this, stateOffset, s, s-=adjust)) ~~~ 如果调用 arriveAndDeregister 方法,减少一个未到达屏障的参与者,并且还要减少一个参与者。相当于对 0-15 位减 1,并且对 16-31 位减 1,对应的二进制数值就是 10000000000000001,转化为 10 进制为 65537。那么需要对 status 减掉 65537。我们看一下 arriveAndDeregister 方法: ~~~java public int arriveAndDeregister() { return doArrive(ONE_DEREGISTER); } ~~~ 我们看到调用 doArrive 时传入的参数是 ONE\_DEREGISTER,它的值如下: ~~~java private static final int ONE_DEREGISTER = ONE_ARRIVAL|ONE_PARTY; ~~~ ONE\_ARRIVAL= 1, ONE\_PARTY=1 << PARTIES\_SHIFT,PARTIES\_SHIFT=16。也就是 ONE\_PARTY 的值是 1 向左移 16 位。那么 ONE\_ARRIVAL|ONE\_PARTY 得出的二进制就是 10000000000000001。正是我们按照需求推断出的二进制数值。 此外为了取出 state 中相应 bit 位数区间的状态值,Phaser 是通过位移或者 &、| 操作来实现,例如取得 phse 轮次值的代码如下: ~~~java int phase = (int)(s >>> PHASE_SHIFT); ~~~ PHASE\_SHIFT 为 32。将 state 值右移 32 位,这意味着把代表 phase 轮次的 32-63 位 bit 数值移到了 0-32 位。然后强转 int 类型,消除掉高 32 位。这样就得到了 phase 的轮次真正数值。 Phaser 对 state 的操作方式都是这种二进制的方式,一开始看起来会比较费劲,但是理解了它的原理,也并不复杂。其他的关于等待线程的管理、线程阻塞和恢复,和之前我们分析的源代码大同小异。大家感兴趣的话,也可以看一看。 ## 4、总结 Phaser 提供了分阶段执行任务的功能,并且能够动态的改变参与者的数量,和 CyclicBarrier 以及 CountDownLatch 比较起来更为灵活。这也是 JDK 的文档中所提到的。实际开发中按照需求选择使用。