Java并发之Phaser的全面解析详解

内容概要

Phaser是Java中一个灵活的同步工具，其优点在于支持多阶段的任务拆分与同步，并且能够动态地注册与注销参与者，它提供了丰富的等待与推进机制，使得开发者能够更细粒度地控制线程的协调行为，实现复杂的并行任务处理，相比于其他同步工具，Phaser更加灵活且易于扩展，适用于多种并发场景。

核心概念

在Java中，Phaser是一个灵活的同步工具类，它允许多个线程在一个或多个屏障（barrier points）上进行协调，可以把Phaser想象成一个多线程聚会的组织者，它负责确保所有参与的线程都到达某个阶段后再一起进行下一步。

举一个实际生活中的场景：假设正在开发一个在线多人游戏，比如，团队解谜游戏，在这个游戏中，有几个玩家（线程）需要合作完成一系列任务来通关，每个任务都被划分为几个阶段，而每个阶段都需要所有玩家共同完成某些操作后才能进入下一阶段。

这个场景中，Phaser就可以发挥它的作用，可以把每个阶段看作是一个屏障点，每个玩家线程在完成自己当前阶段的任务后会向Phaser报告，然后等待其他玩家完成，一旦所有玩家都完成了当前阶段的任务，Phaser就会像一个响铃一样，通知所有玩家可以进入下一阶段了。

比如，在解谜游戏的关卡中，四个玩家需要分别找到四个不同的线索，并将这些线索组合起来才能打开通往下一关的大门，每个玩家在找到线索后，都会告知Phaser自己已经完成任务，Phaser会等待所有四个玩家都找到线索后，再通知他们可以将线索组合起来打开大门进入下一关了。

Phaser主要用于解决多个线程分阶段共同完成任务的同步问题，它可以确保一组线程在达到某个屏障点（phase）之前都保持同步，即所有线程都完成了某个阶段的任务后，才能一起进入下一个阶段，这种同步机制尤其适用于需要多个线程协作完成复杂任务的情况，比如在线多人游戏、分布式系统、并行计算等场景。

Phaser在内部维护了一个状态机，用来跟踪和管理每个线程的执行状态以及各个阶段的完成情况，当一个线程完成任务并达到屏障点时，会调用Phaser的相应方法来通知其他线程，然后等待其他线程一起进入下一阶段，在这个过程中，Phaser会管理线程的同步和协作，确保所有线程都能按照预定的顺序完成各自的任务。

此外，Phaser还提供了灵活的注册和注销线程的功能，可以动态地添加或删除参与同步的线程，它还支持中断和超时机制，可以在等待其他线程的过程中被中断或设置超时，增强了对多线程同步的灵活性。

官方文档：docx.iamqiang.com/jdk11/api/java.base/java/util/concurrent/Phaser.html

代码案例

下面是一个简单的Java示例代码，演示了如何使用Phaser来同步多个线程，以确保它们分阶段完成任务，如下代码：

import java.util.concurrent.Phaser;  
  
public class PhaserExample {  
  
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
        // 创建一个Phaser实例，初始时注册3个线程（不包括主线程）  
        Phaser phaser = new Phaser(3);  
  
        // 创建并启动3个线程  
        for (int i = 0; i < 3; i++) {  
            int threadNum = i + 1; // 为了在输出中区分线程  
            new Thread(() -> {  
                System.out.println("线程" + threadNum + "：已经准备好，等待其他线程。");  
                  
                // 线程在此等待，直到所有线程都到达这个屏障点  
                phaser.arriveAndAwaitAdvance();  
                  
                System.out.println("线程" + threadNum + "：第一阶段任务完成。");  
  
                // 模拟第二阶段的任务  
                try {  
                    Thread.sleep(1000);  
                } catch (InterruptedException e) {  
                    Thread.currentThread().interrupt();  
                    return;  
                }  
  
                // 再次到达屏障点，等待其他线程  
                phaser.arriveAndAwaitAdvance();  
  
                System.out.println("线程" + threadNum + "：第二阶段任务完成。");  
  
                // 模拟第三阶段的任务  
                try {  
                    Thread.sleep(1000);  
                } catch (InterruptedException e) {  
                    Thread.currentThread().interrupt();  
                    return;  
                }  
  
                // 最后一次到达屏障点，所有线程都完成后Phaser将自动进入终止状态  
                phaser.arriveAndAwaitAdvance();  
  
                System.out.println("线程" + threadNum + "：第三阶段任务完成，Phaser任务结束。");  
            }).start();  
        }  
  
        // 等待所有线程完成任务  
        // 注意：在实际应用中，可能不希望主线程在这里阻塞，而是去做其他工作  
        // 但为了演示目的，让主线程等待所有工作线程完成  
        phaser.awaitAdvance(phaser.getPhase());  
        System.out.println("所有线程的第一阶段任务完成。");  
  
        phaser.awaitAdvance(phaser.getPhase() + 1);  
        System.out.println("所有线程的第二阶段任务完成。");  
  
        phaser.awaitAdvance(phaser.getPhase() + 1);  
        System.out.println("所有线程的第三阶段任务完成，整个任务结束。");  
    }  
}

在上面代码中，创建了一个Phaser实例并初始注册了3个线程以及主线程，每个线程都执行三个阶段的任务，每个阶段任务之间都通过phaser.arriveAndAwaitAdvance()方法进行同步，每个线程在完成当前阶段的任务后，都会在这个方法上阻塞，直到所有其他线程也完成了它们当前阶段的任务，在所有线程都完成最后一个阶段的任务后，Phaser会自动进入终止状态，此时不会再有线程被阻塞。

上述代码输出如下结果：

主线程也已经准备好，等待其他线程。  
线程x已经准备好，等待其他线程。  
线程y已经准备好，等待其他线程。  
线程z已经准备好，等待其他线程。  
（这里所有线程和主线程都会等待，直到所有参与者都调用了arriveAndAwaitAdvance）  
主线程第一阶段任务完成（实际上主线程可能只是监控或协调其他线程）。  
线程x第一阶段任务完成。  
线程y第一阶段任务完成。  
线程z第一阶段任务完成。  
（所有线程和主线程继续执行，直到它们再次调用arriveAndAwaitAdvance）  
主线程第二阶段任务完成（实际上可能是等待其他线程完成某些任务）。  
线程x第二阶段任务完成。  
线程y第二阶段任务完成。  
线程z第二阶段任务完成。  
（所有线程和主线程继续执行第三阶段任务）  
主线程第三阶段任务完成（实际上可能是进行一些清理工作或者汇总结果）。  
线程x第三阶段任务完成，Phaser任务结束。  
线程y第三阶段任务完成，Phaser任务结束。  
线程z第三阶段任务完成，Phaser任务结束。

核心API

Phaser它允许一组线程互相等待，直到所有线程都到达某个屏障（barrier）点，Phaser非常适合用于多阶段的任务拆分和同步，以下是Phaser中一些重要方法的简要说明：

• Phaser(int parties)： 构造函数，创建一个新的Phaser实例，并设置注册的线程数（parties），这个数字表示在继续到下一个阶段之前，必须到达屏障的线程数。
• Phaser()： 构造函数，创建一个新的Phaser实例，但不设置注册的线程数，这通常用于层次结构的Phaser，其中子Phaser会继承父Phaser的注册线程数。
• register()： 增加一个到达屏障所需的线程数，如果调用此方法的线程尚未注册，它也会将自己注册为未到达的线程。
• arrive()： 表示当前线程已经到达屏障，并减少未到达的线程数，如果这是最后一个到达的线程，并且已经设置了下一个阶段的屏障，那么这个方法将返回true，否则返回false。
• arriveAndAwaitAdvance()： 当前线程到达屏障，并等待其他线程也到达，当所有线程都到达后，屏障会自动推进到下一个阶段，然后该方法返回，如果当前Phaser被终止，这个方法会抛出IllegalStateException。
• awaitAdvance(int phase)： 等待直到屏障推进到给定的阶段，如果当前阶段大于或等于给定的阶段，那么此方法将立即返回。
• isTerminated()： 检查Phaser是否已经终止，当注册的线程数减少到零，且没有新的线程注册时，Phaser将被终止。
• getPhase()： 获取当前屏障的阶段号，每个屏障都有一个唯一的阶段号，初始阶段号为0。
• getRegisteredParties()： 获取当前注册的线程数。
• getArrivedParties()： 获取已经到达当前屏障的线程数。
• getUnarrivedParties()： 获取尚未到达当前屏障的线程数，这实际上是getRegisteredParties()和getArrivedParties()之间的差值。
• forceTermination()： 强制终止Phaser，即使还有未到达的线程，这会导致所有等待在arriveAndAwaitAdvance()或awaitAdvance(int)方法上的线程抛出IllegalStateException。
• onAdvance(int phase, int registeredParties)： 这是一个受保护的方法，可以在子类中覆盖，以便在每个屏障阶段推进时执行自定义操作。
• bulkRegister(int parties)： 一次性注册多个线程，这通常用于静态已知的线程数，或者当多个任务由同一个线程代表时。

核心总结

Phaser类的目的是允许在并发编程中同步多个线程之间的执行，它具有如下优点，如下：

• 更好的可扩展性：Phaser类相对于其他同步工具类（如CyclicBarrier和CountDownLatch）具有更好的可扩展性，因为它支持更多的参与者（即线程）同时进行同步。
• 自动注销和清理：当所有参与者都完成执行后，Phaser会自动注销并释放相关资源，这有助于避免内存泄漏和资源浪费。
• 灵活的执行模式：Phaser类提供了多种执行模式，如并行、串行和混合模式，这使得在处理并发任务时更加灵活。

它也有不少缺点，如：1、与其他的同步工具类相比，Phaser类的实现相对复杂，因此在某些场景下可能会引入额外的性能开销，并且Phaser类具有一定的使用门槛，使用时深入理解并发编程和Java并发API，这可能会增加学习成本。

到此这篇关于Java并发之Phaser的全面解析详解的文章就介绍到这了,更多相关Java Phaser内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！

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