JUC 工具类之 Phaser 详解
2024年3月7日...大约 13 分钟
Phaser是JDK 7新增的一个同步辅助类，它可以实现CyclicBarrier和CountDownLatch类似的功能，而且它支持对任务的动态调整，并支持分层结构来达到更高的吞吐量。
- JUC 工具类之 Phaser 详解
# 带着BAT大厂的面试问题去理解Phaser工具
提示
请带着这些问题继续后文，会很大程度上帮助你更好的理解Phaser工具。@pdai
- Phaser主要用来解决什么问题?
- Phaser与CyclicBarrier和CountDownLatch的区别是什么?
- 如果用CountDownLatch来实现Phaser的功能应该怎么实现?
- Phaser运行机制是什么样的?
- 给一个Phaser使用的示例?
# Phaser运行机制
- Registration(注册)
跟其他barrier不同，在phaser上注册的parties会随着时间的变化而变化。任务可以随时注册(使用方法register,bulkRegister注册，或者由构造器确定初始parties)，并且在任何抵达点可以随意地撤销注册(方法arriveAndDeregister)。就像大多数基本的同步结构一样，注册和撤销只影响内部count；不会创建更深的内部记录，所以任务不能查询他们是否已经注册。(不过，可以通过继承来实现类似的记录)
- Synchronization(同步机制)
和CyclicBarrier一样，Phaser也可以重复await。方法arriveAndAwaitAdvance的效果类似CyclicBarrier.await。phaser的每一代都有一个相关的phase number，初始值为0，当所有注册的任务都到达phaser时phase+1，到达最大值(Integer.MAX_VALUE)之后清零。使用phase number可以独立控制 到达phaser 和 等待其他线程 的动作，通过下面两种类型的方法:
- Arrival(到达机制) arrive和arriveAndDeregister方法记录到达状态。这些方法不会阻塞，但是会返回一个相关的arrival phase number；也就是说，phase number用来确定到达状态。当所有任务都到达给定phase时，可以执行一个可选的函数，这个函数通过重写onAdvance方法实现，通常可以用来控制终止状态。重写此方法类似于为CyclicBarrier提供一个barrierAction，但比它更灵活。
- Waiting(等待机制) awaitAdvance方法需要一个表示arrival phase number的参数，并且在phaser前进到与给定phase不同的phase时返回。和CyclicBarrier不同，即使等待线程已经被中断，awaitAdvance方法也会一直等待。中断状态和超时时间同样可用，但是当任务等待中断或超时后未改变phaser的状态时会遭遇异常。如果有必要，在方法forceTermination之后可以执行这些异常的相关的handler进行恢复操作，Phaser也可能被ForkJoinPool中的任务使用，这样在其他任务阻塞等待一个phase时可以保证足够的并行度来执行任务。
- Termination(终止机制) :
可以用isTerminated方法检查phaser的终止状态。在终止时，所有同步方法立刻返回一个负值。在终止时尝试注册也没有效果。当调用onAdvance返回true时Termination被触发。当deregistration操作使已注册的parties变为0时，onAdvance的默认实现就会返回true。也可以重写onAdvance方法来定义终止动作。forceTermination方法也可以释放等待线程并且允许它们终止。
- Tiering(分层结构) :
Phaser支持分层结构(树状构造)来减少竞争。注册了大量parties的Phaser可能会因为同步竞争消耗很高的成本， 因此可以设置一些子Phaser来共享一个通用的parent。这样的话即使每个操作消耗了更多的开销，但是会提高整体吞吐量。 在一个分层结构的phaser里，子节点phaser的注册和取消注册都通过父节点管理。子节点phaser通过构造或方法register、bulkRegister进行首次注册时，在其父节点上注册。子节点phaser通过调用arriveAndDeregister进行最后一次取消注册时，也在其父节点上取消注册。
- Monitoring(状态监控) :
由于同步方法可能只被已注册的parties调用，所以phaser的当前状态也可能被任何调用者监控。在任何时候，可以通过getRegisteredParties获取parties数，其中getArrivedParties方法返回已经到达当前phase的parties数。当剩余的parties(通过方法getUnarrivedParties获取)到达时，phase进入下一代。这些方法返回的值可能只表示短暂的状态，所以一般来说在同步结构里并没有啥卵用。
# Phaser源码详解
# 核心参数
private volatile long state;
/**
* The parent of this phaser, or null if none
*/
private final Phaser parent;
/**
* The root of phaser tree. Equals this if not in a tree.
*/
private final Phaser root;
//等待线程的栈顶元素，根据phase取模定义为一个奇数header和一个偶数header
private final AtomicReference<QNode> evenQ;
private final AtomicReference<QNode> oddQ;state状态说明:
Phaser使用一个long型state值来标识内部状态:
- 低0-15位表示未到达parties数；
- 中16-31位表示等待的parties数；
- 中32-62位表示phase当前代；
- 高63位表示当前phaser的终止状态。
注意: 子Phaser的phase在没有被真正使用之前，允许滞后于它的root节点。这里在后面源码分析的reconcileState方法里会讲解。 Qnode是Phaser定义的内部等待队列，用于在阻塞时记录等待线程及相关信息。实现了ForkJoinPool的一个内部接口ManagedBlocker，上面已经说过，Phaser也可能被ForkJoinPool中的任务使用，这样在其他任务阻塞等待一个phase时可以保证足够的并行度来执行任务(通过内部实现方法isReleasable和block)。
# 函数列表
//构造方法
public Phaser() {
this(null, 0);
}
public Phaser(int parties) {
this(null, parties);
}
public Phaser(Phaser parent) {
this(parent, 0);
}
public Phaser(Phaser parent, int parties)
//注册一个新的party
public int register()
//批量注册
public int bulkRegister(int parties)
//使当前线程到达phaser，不等待其他任务到达。返回arrival phase number
public int arrive()
//使当前线程到达phaser并撤销注册，返回arrival phase number
public int arriveAndDeregister()
/*
* 使当前线程到达phaser并等待其他任务到达，等价于awaitAdvance(arrive())。
* 如果需要等待中断或超时，可以使用awaitAdvance方法完成一个类似的构造。
* 如果需要在到达后取消注册，可以使用awaitAdvance(arriveAndDeregister())。
*/
public int arriveAndAwaitAdvance()
//等待给定phase数，返回下一个 arrival phase number
public int awaitAdvance(int phase)
//阻塞等待，直到phase前进到下一代，返回下一代的phase number
public int awaitAdvance(int phase)
//响应中断版awaitAdvance
public int awaitAdvanceInterruptibly(int phase) throws InterruptedException
public int awaitAdvanceInterruptibly(int phase, long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException, TimeoutException
//使当前phaser进入终止状态，已注册的parties不受影响，如果是分层结构，则终止所有phaser
public void forceTermination()# 方法 - register()
//注册一个新的party
public int register() {
return doRegister(1);
}
private int doRegister(int registrations) {
// adjustment to state
long adjust = ((long)registrations << PARTIES_SHIFT) | registrations;
final Phaser parent = this.parent;
int phase;
for (;;) {
long s = (parent == null) ? state : reconcileState();
int counts = (int)s;
int parties = counts >>> PARTIES_SHIFT;//获取已注册parties数
int unarrived = counts & UNARRIVED_MASK;//未到达数
if (registrations > MAX_PARTIES - parties)
throw new IllegalStateException(badRegister(s));
phase = (int)(s >>> PHASE_SHIFT);//获取当前代
if (phase < 0)
break;
if (counts != EMPTY) { // not 1st registration
if (parent == null || reconcileState() == s) {
if (unarrived == 0) // wait out advance
root.internalAwaitAdvance(phase, null);//等待其他任务到达
else if (UNSAFE.compareAndSwapLong(this, stateOffset,
s, s + adjust))//更新注册的parties数
break;
}
}
else if (parent == null) { // 1st root registration
long next = ((long)phase << PHASE_SHIFT) | adjust;
if (UNSAFE.compareAndSwapLong(this, stateOffset, s, next))//更新phase
break;
}
else {
//分层结构，子phaser首次注册用父节点管理
synchronized (this) { // 1st sub registration
if (state == s) { // recheck under lock
phase = parent.doRegister(1);//分层结构，使用父节点注册
if (phase < 0)
break;
// finish registration whenever parent registration
// succeeded, even when racing with termination,
// since these are part of the same "transaction".
//由于在同一个事务里，即使phaser已终止，也会完成注册
while (!UNSAFE.compareAndSwapLong
(this, stateOffset, s,
((long)phase << PHASE_SHIFT) | adjust)) {//更新phase
s = state;
phase = (int)(root.state >>> PHASE_SHIFT);
// assert (int)s == EMPTY;
}
break;
}
}
}
}
return phase;
}说明: register方法为phaser添加一个新的party，如果onAdvance正在运行，那么这个方法会等待它运行结束再返回结果。如果当前phaser有父节点，并且当前phaser上没有已注册的party，那么就会交给父节点注册。
register和bulkRegister都由doRegister实现，大概流程如下:
- 如果当前操作不是首次注册，那么直接在当前phaser上更新注册parties数
- 如果是首次注册，并且当前phaser没有父节点，说明是root节点注册，直接更新phase
- 如果当前操作是首次注册，并且当前phaser由父节点，则注册操作交由父节点，并更新当前phaser的phase
- 上面说过，子Phaser的phase在没有被真正使用之前，允许滞后于它的root节点。非首次注册时，如果Phaser有父节点，则调用reconcileState()方法解决root节点的phase延迟传递问题， 源码如下:
private long reconcileState() {
final Phaser root = this.root;
long s = state;
if (root != this) {
int phase, p;
// CAS to root phase with current parties, tripping unarrived
while ((phase = (int)(root.state >>> PHASE_SHIFT)) !=
(int)(s >>> PHASE_SHIFT) &&
!UNSAFE.compareAndSwapLong
(this, stateOffset, s,
s = (((long)phase << PHASE_SHIFT) |
((phase < 0) ? (s & COUNTS_MASK) :
(((p = (int)s >>> PARTIES_SHIFT) == 0) ? EMPTY :
((s & PARTIES_MASK) | p))))))
s = state;
}
return s;
}当root节点的phase已经advance到下一代，但是子节点phaser还没有，这种情况下它们必须通过更新未到达parties数 完成它们自己的advance操作(如果parties为0，重置为EMPTY状态)。
回到register方法的第一步，如果当前未到达数为0，说明上一代phase正在进行到达操作，此时调用internalAwaitAdvance()方法等待其他任务完成到达操作，源码如下:
//阻塞等待phase到下一代
private int internalAwaitAdvance(int phase, QNode node) {
// assert root == this;
releaseWaiters(phase-1); // ensure old queue clean
boolean queued = false; // true when node is enqueued
int lastUnarrived = 0; // to increase spins upon change
int spins = SPINS_PER_ARRIVAL;
long s;
int p;
while ((p = (int)((s = state) >>> PHASE_SHIFT)) == phase) {
if (node == null) { // spinning in noninterruptible mode
int unarrived = (int)s & UNARRIVED_MASK;//未到达数
if (unarrived != lastUnarrived &&
(lastUnarrived = unarrived) < NCPU)
spins += SPINS_PER_ARRIVAL;
boolean interrupted = Thread.interrupted();
if (interrupted || --spins < 0) { // need node to record intr
//使用node记录中断状态
node = new QNode(this, phase, false, false, 0L);
node.wasInterrupted = interrupted;
}
}
else if (node.isReleasable()) // done or aborted
break;
else if (!queued) { // push onto queue
AtomicReference<QNode> head = (phase & 1) == 0 ? evenQ : oddQ;
QNode q = node.next = head.get();
if ((q == null || q.phase == phase) &&
(int)(state >>> PHASE_SHIFT) == phase) // avoid stale enq
queued = head.compareAndSet(q, node);
}
else {
try {
ForkJoinPool.managedBlock(node);//阻塞给定node
} catch (InterruptedException ie) {
node.wasInterrupted = true;
}
}
}
if (node != null) {
if (node.thread != null)
node.thread = null; // avoid need for unpark()
if (node.wasInterrupted && !node.interruptible)
Thread.currentThread().interrupt();
if (p == phase && (p = (int)(state >>> PHASE_SHIFT)) == phase)
return abortWait(phase); // possibly clean up on abort
}
releaseWaiters(phase);
return p;
}简单介绍下第二个参数node，如果不为空，则说明等待线程需要追踪中断状态或超时状态。以doRegister中的调用为例，不考虑线程争用，internalAwaitAdvance大概流程如下:
- 首先调用releaseWaiters唤醒上一代所有等待线程，确保旧队列中没有遗留的等待线程。
- 循环SPINS_PER_ARRIVAL指定的次数或者当前线程被中断，创建node记录等待线程及相关信息。
- 继续循环调用ForkJoinPool.managedBlock运行被阻塞的任务
- 继续循环，阻塞任务运行成功被释放，跳出循环
- 最后唤醒当前phase的线程
# 方法 - arrive()
//使当前线程到达phaser，不等待其他任务到达。返回arrival phase number
public int arrive() {
return doArrive(ONE_ARRIVAL);
}
private int doArrive(int adjust) {
final Phaser root = this.root;
for (;;) {
long s = (root == this) ? state : reconcileState();
int phase = (int)(s >>> PHASE_SHIFT);
if (phase < 0)
return phase;
int counts = (int)s;
//获取未到达数
int unarrived = (counts == EMPTY) ? 0 : (counts & UNARRIVED_MASK);
if (unarrived <= 0)
throw new IllegalStateException(badArrive(s));
if (UNSAFE.compareAndSwapLong(this, stateOffset, s, s-=adjust)) {//更新state
if (unarrived == 1) {//当前为最后一个未到达的任务
long n = s & PARTIES_MASK; // base of next state
int nextUnarrived = (int)n >>> PARTIES_SHIFT;
if (root == this) {
if (onAdvance(phase, nextUnarrived))//检查是否需要终止phaser
n |= TERMINATION_BIT;
else if (nextUnarrived == 0)
n |= EMPTY;
else
n |= nextUnarrived;
int nextPhase = (phase + 1) & MAX_PHASE;
n |= (long)nextPhase << PHASE_SHIFT;
UNSAFE.compareAndSwapLong(this, stateOffset, s, n);
releaseWaiters(phase);//释放等待phase的线程
}
//分层结构，使用父节点管理arrive
else if (nextUnarrived == 0) { //propagate deregistration
phase = parent.doArrive(ONE_DEREGISTER);
UNSAFE.compareAndSwapLong(this, stateOffset,
s, s | EMPTY);
}
else
phase = parent.doArrive(ONE_ARRIVAL);
}
return phase;
}
}
}说明: arrive方法手动调整到达数，使当前线程到达phaser。arrive和arriveAndDeregister都调用了doArrive实现，大概流程如下:
- 首先更新state(state - adjust)；
- 如果当前不是最后一个未到达的任务，直接返回phase
- 如果当前是最后一个未到达的任务:
- 如果当前是root节点，判断是否需要终止phaser，CAS更新phase，最后释放等待的线程；
- 如果是分层结构，并且已经没有下一代未到达的parties，则交由父节点处理doArrive逻辑，然后更新state为EMPTY。
# 方法 - arriveAndAwaitAdvance()
public int arriveAndAwaitAdvance() {
// Specialization of doArrive+awaitAdvance eliminating some reads/paths
final Phaser root = this.root;
for (;;) {
long s = (root == this) ? state : reconcileState();
int phase = (int)(s >>> PHASE_SHIFT);
if (phase < 0)
return phase;
int counts = (int)s;
int unarrived = (counts == EMPTY) ? 0 : (counts & UNARRIVED_MASK);//获取未到达数
if (unarrived <= 0)
throw new IllegalStateException(badArrive(s));
if (UNSAFE.compareAndSwapLong(this, stateOffset, s,
s -= ONE_ARRIVAL)) {//更新state
if (unarrived > 1)
return root.internalAwaitAdvance(phase, null);//阻塞等待其他任务
if (root != this)
return parent.arriveAndAwaitAdvance();//子Phaser交给父节点处理
long n = s & PARTIES_MASK; // base of next state
int nextUnarrived = (int)n >>> PARTIES_SHIFT;
if (onAdvance(phase, nextUnarrived))//全部到达，检查是否可销毁
n |= TERMINATION_BIT;
else if (nextUnarrived == 0)
n |= EMPTY;
else
n |= nextUnarrived;
int nextPhase = (phase + 1) & MAX_PHASE;//计算下一代phase
n |= (long)nextPhase << PHASE_SHIFT;
if (!UNSAFE.compareAndSwapLong(this, stateOffset, s, n))//更新state
return (int)(state >>> PHASE_SHIFT); // terminated
releaseWaiters(phase);//释放等待phase的线程
return nextPhase;
}
}
}说明: 使当前线程到达phaser并等待其他任务到达，等价于awaitAdvance(arrive())。如果需要等待中断或超时，可以使用awaitAdvance方法完成一个类似的构造。如果需要在到达后取消注册，可以使用awaitAdvance(arriveAndDeregister())。效果类似于CyclicBarrier.await。大概流程如下:
- 更新state(state - 1)；
- 如果未到达数大于1，调用internalAwaitAdvance阻塞等待其他任务到达，返回当前phase
- 如果为分层结构，则交由父节点处理arriveAndAwaitAdvance逻辑
- 如果未到达数<=1，判断phaser终止状态，CAS更新phase到下一代，最后释放等待当前phase的线程，并返回下一代phase。
# 方法 - awaitAdvance(int phase)
public int awaitAdvance(int phase) {
final Phaser root = this.root;
long s = (root == this) ? state : reconcileState();
int p = (int)(s >>> PHASE_SHIFT);
if (phase < 0)
return phase;
if (p == phase)
return root.internalAwaitAdvance(phase, null);
return p;
}
//响应中断版awaitAdvance
public int awaitAdvanceInterruptibly(int phase)
throws InterruptedException {
final Phaser root = this.root;
long s = (root == this) ? state : reconcileState();
int p = (int)(s >>> PHASE_SHIFT);
if (phase < 0)
return phase;
if (p == phase) {
QNode node = new QNode(this, phase, true, false, 0L);
p = root.internalAwaitAdvance(phase, node);
if (node.wasInterrupted)
throw new InterruptedException();
}
return p;
}说明: awaitAdvance用于阻塞等待线程到达，直到phase前进到下一代，返回下一代的phase number。方法很简单，不多赘述。awaitAdvanceInterruptibly方法是响应中断版的awaitAdvance，不同之处在于，调用阻塞时会记录线程的中断状态。
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