JAVA 多线程执行顺序不确定？使用 Phaser 协调阶段性任务

Java 多线程执行顺序不确定？使用 Phaser 协调阶段性任务

大家好，今天我们要深入探讨一个Java多线程编程中常见的问题：线程执行顺序的不确定性。以及如何利用 Phaser 类来协调具有阶段性特征的多线程任务。

线程执行顺序的不确定性

在多线程环境下，我们创建的线程并发执行，它们的执行顺序并不是完全可预测的。这主要由以下几个因素决定：

1. 操作系统的调度策略： 操作系统负责调度 CPU 资源给不同的线程。调度算法的不同会导致线程获得 CPU 时间片的机会不同，从而影响执行顺序。例如，有些操作系统可能采用优先级调度，高优先级的线程会优先执行。
2. CPU 的核心数量： 在单核 CPU 上，线程实际上是交替执行的，而多核 CPU 可以实现真正的并行执行。核心数量越多，线程的执行顺序就越难以预测。
3. 线程本身的性质： 线程的优先级、阻塞状态、等待 I/O 操作等都会影响其执行顺序。例如，一个正在等待 I/O 的线程会暂时放弃 CPU 资源，让其他线程执行。
4. Java 虚拟机 (JVM) 的优化： JVM 会对代码进行优化，例如指令重排序，这也会影响线程的执行顺序。

这种不确定性可能会导致一些问题，例如：

• 竞态条件（Race Condition）： 多个线程访问共享资源，并且执行顺序影响最终结果。
• 死锁（Deadlock）： 多个线程互相等待对方释放资源，导致程序无法继续执行。
• 活锁（Livelock）： 线程不断重复执行相同的操作，但始终无法取得进展。

为了解决这些问题，我们需要一些机制来协调线程的执行顺序。Phaser 类就是其中一种强大的工具。

Phaser 简介

Phaser 是 Java 并发包 java.util.concurrent 中的一个类，它提供了一种灵活的同步机制，用于协调具有阶段性特征的多线程任务。Phaser 可以将线程分成多个阶段，并且确保所有线程都完成了当前阶段才能进入下一个阶段。

Phaser 的主要特点包括：

• 动态注册： 线程可以动态地注册到 Phaser 中，也可以随时取消注册。
• 可重用： Phaser 可以被多次使用，即可以经历多个阶段。
• 分层结构： Phaser 可以构建成树形结构，形成一个 Phaser 家族，允许更复杂的同步模式。
• 灵活的终止机制： Phaser 可以设置终止条件，当满足条件时，Phaser 会自动终止，避免线程无限期地等待。

Phaser 的工作原理

Phaser 的核心概念是阶段 (phase) 和参与者 (participant)。

1. 阶段 (Phase)： Phaser 的每个阶段代表一个同步点。所有注册到 Phaser 的线程都需要到达这个同步点，才能进入下一个阶段。
2. 参与者 (Participant)： 参与者是指注册到 Phaser 的线程。每个参与者都需要调用 arriveAndAwaitAdvance() 方法来表示它已经完成了当前阶段的任务，并等待其他参与者完成。

Phaser 的工作流程如下：

1. 注册参与者： 线程通过 register() 方法或在构造函数中注册到 Phaser 中。
2. 执行任务： 线程执行当前阶段的任务。
3. 到达同步点： 线程调用 arriveAndAwaitAdvance() 方法，表示它已经完成了当前阶段的任务，并等待其他线程完成。
4. 阶段推进： 当所有已注册的线程都到达同步点后，Phaser 会自动推进到下一个阶段。
5. 重复： 线程重复执行任务和到达同步点的过程，直到所有阶段完成或者 Phaser 被终止。

Phaser 的主要方法

方法	描述
Phaser()	创建一个新的 Phaser 实例，初始阶段为 0，没有注册的参与者。
Phaser(int parties)	创建一个新的 Phaser 实例，初始阶段为 0，并注册 parties 个参与者。
register()	将当前线程注册为 Phaser 的一个参与者。
bulkRegister(int parties)	批量注册 parties 个参与者。
arrive()	表明当前线程已到达当前阶段，但不等待其他线程。
arriveAndAwaitAdvance()	表明当前线程已到达当前阶段，并等待其他线程到达。只有当所有注册的线程都到达后，Phaser 才会推进到下一个阶段。
arriveAndDeregister()	表明当前线程已到达当前阶段，并从 Phaser 中取消注册。
awaitAdvance(int phase)	等待 Phaser 到达指定的阶段。如果 Phaser 已经到达或超过了指定的阶段，则立即返回。
getPhase()	返回当前 Phaser 的阶段数。
getRegisteredParties()	返回当前注册的参与者数量。
getParent()	如果当前 Phaser 是一个子 Phaser，则返回其父 Phaser。否则返回 null。
getRoot()	返回 Phaser 树的根 Phaser。
isTerminated()	如果 Phaser 已经终止，则返回 true。
onAdvance(int phase, int registeredParties)	这是一个受保护的方法，在每个阶段推进时被调用。可以重写此方法来执行一些自定义的逻辑，例如检查是否需要终止 Phaser。如果此方法返回 true，则 Phaser 将被终止。

Phaser 示例：模拟赛跑

让我们通过一个简单的示例来演示 Phaser 的使用。假设我们有一个赛跑比赛，有多个选手参加。比赛分为三个阶段：

1. 准备阶段： 所有选手在起跑线等待发令枪响。
2. 跑步阶段： 所有选手开始跑步。
3. 冲刺阶段： 所有选手进行最后的冲刺。

我们可以使用 Phaser 来协调这三个阶段。

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.Phaser;

public class Racer implements Runnable {

    private final String name;
    private final Phaser phaser;
    private final Random random = new Random();

    public Racer(String name, Phaser phaser) {
        this.name = name;
        this.phaser = phaser;
        phaser.register(); // 注册参与者
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            // 准备阶段
            System.out.println(name + " is ready.");
            phaser.arriveAndAwaitAdvance(); // 等待所有选手准备就绪

            // 跑步阶段
            System.out.println(name + " is running.");
            Thread.sleep(random.nextInt(2000)); // 模拟跑步时间
            phaser.arriveAndAwaitAdvance(); // 等待所有选手完成跑步

            // 冲刺阶段
            System.out.println(name + " is sprinting.");
            Thread.sleep(random.nextInt(1000)); // 模拟冲刺时间
            phaser.arriveAndDeregister(); // 到达终点，取消注册
            System.out.println(name + " finished the race!");

        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Phaser phaser = new Phaser(1); // 初始化 Phaser，并注册 main 线程，用于推进阶段

        Thread racer1 = new Thread(new Racer("Racer 1", phaser));
        Thread racer2 = new Thread(new Racer("Racer 2", phaser));
        Thread racer3 = new Thread(new Racer("Racer 3", phaser));

        racer1.start();
        racer2.start();
        racer3.start();

        phaser.arriveAndAwaitAdvance(); // 推进到跑步阶段
        System.out.println("Race started!");

        phaser.arriveAndAwaitAdvance(); // 推进到冲刺阶段
        System.out.println("Sprint time!");

        phaser.arriveAndDeregister(); // main线程完成任务，取消注册
        System.out.println("Race finished!");
    }
}

在这个例子中，我们创建了一个 Racer 类，每个 Racer 对象代表一个选手。每个选手都需要经历准备、跑步和冲刺三个阶段。我们使用 Phaser 来确保所有选手都完成了当前阶段才能进入下一个阶段。

main 函数首先创建一个 Phaser 对象，并注册 main 线程。然后创建三个 Racer 线程并启动它们。主线程使用 arriveAndAwaitAdvance() 方法来推进 Phaser 的阶段，从而控制比赛的流程。arriveAndDeregister()用于在最后取消main线程的注册，防止其一直阻塞。

程序的输出可能如下（顺序可能不同）：

Racer 1 is ready.
Racer 3 is ready.
Racer 2 is ready.
Race started!
Racer 3 is running.
Racer 1 is running.
Racer 2 is running.
Sprint time!
Racer 3 is sprinting.
Racer 2 is sprinting.
Racer 1 is sprinting.
Racer 3 finished the race!
Racer 2 finished the race!
Racer 1 finished the race!
Race finished!

这个例子展示了如何使用 Phaser 来协调具有阶段性特征的多线程任务。

Phaser 的高级用法

除了基本的阶段同步之外，Phaser 还提供了一些高级用法，例如：

1. 分层 Phaser： 可以创建树形结构的 Phaser，用于更复杂的同步模式。例如，可以将一组线程分成多个小组，每个小组使用一个 Phaser 进行组内同步，然后所有小组使用一个父 Phaser 进行组间同步。
2. 动态参与者： 线程可以随时注册到 Phaser 中，也可以随时取消注册。这使得 Phaser 非常适合处理动态变化的线程集合。
3. 终止条件： 可以通过重写 onAdvance() 方法来设置终止条件。当满足条件时，Phaser 会自动终止，避免线程无限期地等待。

分层 Phaser 示例

假设我们有一个图像处理任务，需要将图像分成多个区域，每个区域由一个线程处理。为了提高效率，我们可以将线程分成多个小组，每个小组负责处理一部分区域。每个小组使用一个 Phaser 进行组内同步，然后所有小组使用一个父 Phaser 进行组间同步。

import java.util.concurrent.Phaser;

public class ImageProcessor implements Runnable {

    private final String name;
    private final Phaser groupPhaser;
    private final Phaser mainPhaser;

    public ImageProcessor(String name, Phaser groupPhaser, Phaser mainPhaser) {
        this.name = name;
        this.groupPhaser = groupPhaser;
        this.mainPhaser = mainPhaser;
        groupPhaser.register(); // 注册到小组 Phaser
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            System.out.println(name + " is processing image.");
            Thread.sleep(1000); // 模拟图像处理时间
            groupPhaser.arriveAndAwaitAdvance(); // 小组内同步

            System.out.println(name + " finished processing image.");
            groupPhaser.arriveAndDeregister(); // 小组任务完成，取消注册
            mainPhaser.arriveAndAwaitAdvance(); // 等待所有小组完成任务

        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Phaser mainPhaser = new Phaser(1); // 用于所有小组同步
        Phaser group1Phaser = new Phaser(); // 用于第一小组同步
        Phaser group2Phaser = new Phaser(); // 用于第二小组同步

        mainPhaser.register(); //注册主线程

        Thread processor1 = new Thread(new ImageProcessor("Processor 1", group1Phaser, mainPhaser));
        Thread processor2 = new Thread(new ImageProcessor("Processor 2", group1Phaser, mainPhaser));
        Thread processor3 = new Thread(new ImageProcessor("Processor 3", group2Phaser, mainPhaser));
        Thread processor4 = new Thread(new ImageProcessor("Processor 4", group2Phaser, mainPhaser));

        processor1.start();
        processor2.start();
        processor3.start();
        processor4.start();

        // 等待所有小组完成任务
        mainPhaser.arriveAndDeregister();
        System.out.println("All image processing tasks finished!");
    }
}

在这个例子中，我们创建了两个小组，每个小组有两个线程。每个小组使用一个 Phaser 进行组内同步，然后所有小组使用一个父 Phaser 进行组间同步。

终止条件示例

假设我们有一个迭代计算任务，需要重复执行计算直到满足某个条件。我们可以使用 Phaser 来协调迭代过程，并且设置终止条件。

import java.util.concurrent.Phaser;

public class IterativeCalculator implements Runnable {

    private final String name;
    private final Phaser phaser;
    private int result = 0;

    public IterativeCalculator(String name, Phaser phaser) {
        this.name = name;
        this.phaser = phaser;
        phaser.register();
    }

    @Override
    public void run() {
        while (!phaser.isTerminated()) {
            // 执行计算
            result += 1;
            System.out.println(name + " calculated: " + result);

            phaser.arriveAndAwaitAdvance(); // 等待其他线程完成计算
        }

        System.out.println(name + " terminated. Final result: " + result);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Phaser phaser = new Phaser() {
            @Override
            protected boolean onAdvance(int phase, int registeredParties) {
                // 当所有线程的计算结果都大于 10 时，终止 Phaser
                return phase > 0 && IterativeCalculator.allResultsGreaterThan(10, this);
            }
        };
        phaser.register(); // 注册main线程

        IterativeCalculator calculator1 = new IterativeCalculator("Calculator 1", phaser);
        IterativeCalculator calculator2 = new IterativeCalculator("Calculator 2", phaser);

        Thread thread1 = new Thread(calculator1);
        Thread thread2 = new Thread(calculator2);

        thread1.start();
        thread2.start();

        while(!phaser.isTerminated()){
            phaser.arriveAndAwaitAdvance(); //推进
        }

        phaser.arriveAndDeregister();
        System.out.println("Calculation finished!");
    }

    private static boolean allResultsGreaterThan(int threshold, Phaser phaser) {
        // 获取所有 IterativeCalculator 实例，并检查它们的计算结果是否都大于 threshold
        // 这里需要维护一个 IterativeCalculator 实例的列表，或者使用其他方式来访问它们
        // 为了简化示例，我们假设只有两个 IterativeCalculator 实例
        IterativeCalculator calculator1 = null; // 需要获取 calculator1 实例
        IterativeCalculator calculator2 = null; // 需要获取 calculator2 实例
        Thread[] threads = new Thread[Thread.activeCount()];
        Thread.enumerate(threads);

        for(Thread thread: threads){
            if(thread.getName().equals("Calculator 1")){
                calculator1 = (IterativeCalculator) thread;
            }
            if(thread.getName().equals("Calculator 2")){
                calculator2 = (IterativeCalculator) thread;
            }
        }

        if(calculator1 == null || calculator2 == null) return false;

        return calculator1.result > threshold && calculator2.result > threshold;
    }
}

在这个例子中，我们重写了 onAdvance() 方法，当所有线程的计算结果都大于 10 时，Phaser 会自动终止。

注意： 在 allResultsGreaterThan() 方法中，我们需要维护一个 IterativeCalculator 实例的列表，或者使用其他方式来访问它们。由于 Java 没有直接的方法来获取所有线程的实例，因此我们需要自己维护一个列表。在这个简化的示例中，我们假设只有两个 IterativeCalculator 实例，并且通过线程名来获取它们。在实际应用中，我们需要使用更可靠的方式来管理线程实例。

Phaser 的优势与劣势

优势：

• 灵活性： Phaser 提供了灵活的同步机制，可以用于协调具有阶段性特征的各种多线程任务。
• 动态性： 线程可以动态地注册和取消注册，使得 Phaser 能够适应动态变化的线程集合。
• 可扩展性： 可以构建分层结构的 Phaser，用于更复杂的同步模式。
• 可维护性： 使用 Phaser 可以使代码更清晰、更易于维护。

劣势：

• 复杂性： 相对于 CountDownLatch 和 CyclicBarrier 等简单的同步工具，Phaser 的使用相对复杂。
• 性能： Phaser 的性能可能不如 CountDownLatch 和 CyclicBarrier，因为它需要维护更多的状态信息。

选择合适的同步工具

在选择同步工具时，需要根据具体的应用场景进行权衡。

• 如果只需要进行简单的计数同步，可以使用 CountDownLatch。
• 如果需要周期性地同步一组线程，可以使用 CyclicBarrier。
• 如果需要协调具有阶段性特征的多线程任务，并且线程集合是动态变化的，可以使用 Phaser。

特性	CountDownLatch	CyclicBarrier	Phaser
适用场景	计数同步	周期性同步	阶段性同步
线程注册	静态	静态	动态
可重用性	不可重用	可重用	可重用
灵活性	低	中	高
复杂性	低	中	高
性能	高	中	相对较低

使用 Phaser 协调阶段性任务

Phaser 类是 Java 并发包中强大的同步工具，尤其适用于协调具有阶段性特征的多线程任务。通过动态注册参与者、支持分层结构以及灵活的终止机制，Phaser 能够有效地管理和同步线程，从而避免竞态条件、死锁等并发问题。在选择同步工具时，需要根据具体的应用场景，权衡 Phaser 的灵活性和复杂性，选择最合适的方案。

希望今天的讲座能够帮助大家更好地理解和使用 Phaser 类，从而编写出更健壮、更高效的多线程程序。感谢大家的聆听！