死磕java同步系列之Phaser源碼解析-創(chuàng)新互聯(lián)
問題
（1）Phaser是什么？
創(chuàng)新互聯(lián)建站長期為上1000家客戶提供的網(wǎng)站建設(shè)服務(wù)，團隊從業(yè)經(jīng)驗10年，關(guān)注不同地域、不同群體，并針對不同對象提供差異化的產(chǎn)品和服務(wù)；打造開放共贏平臺，與合作伙伴共同營造健康的互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)環(huán)境。為平魯企業(yè)提供專業(yè)的做網(wǎng)站、成都做網(wǎng)站，平魯網(wǎng)站改版等技術(shù)服務(wù)。擁有十載豐富建站經(jīng)驗和眾多成功案例,為您定制開發(fā)。（2）Phaser具有哪些特性？
（3）Phaser相對于CyclicBarrier和CountDownLatch的優(yōu)勢？
簡介
Phaser，翻譯為階段，它適用于這樣一種場景，一個大任務(wù)可以分為多個階段完成，且每個階段的任務(wù)可以多個線程并發(fā)執(zhí)行，但是必須上一個階段的任務(wù)都完成了才可以執(zhí)行下一個階段的任務(wù)。
這種場景雖然使用CyclicBarrier或者CountryDownLatch也可以實現(xiàn)，但是要復(fù)雜的多。首先，具體需要多少個階段是可能會變的，其次，每個階段的任務(wù)數(shù)也可能會變的。相比于CyclicBarrier和CountDownLatch，Phaser更加靈活更加方便。
使用方法
下面我們看一個最簡單的使用案例：
public class PhaserTest {
public static final int PARTIES = 3;
public static final int PHASES = 4;
public static void main(String[] args) {
Phaser phaser = new Phaser(PARTIES) {
@Override
protected boolean onAdvance(int phase, int registeredParties) {
// 本文由公從號“彤哥讀源碼”原創(chuàng)
System.out.println("=======phase: " + phase + " finished=============");
return super.onAdvance(phase, registeredParties);
}
};
for (int i = 0; i < PARTIES; i++) {
new Thread(()->{
for (int j = 0; j < PHASES; j++) {
System.out.println(String.format("%s: phase: %d", Thread.currentThread().getName(), j));
phaser.arriveAndAwaitAdvance();
}
}, "Thread " + i).start();
}
}
}這里我們定義一個需要4個階段完成的大任務(wù)，每個階段需要3個小任務(wù)，針對這些小任務(wù)，我們分別起3個線程來執(zhí)行這些小任務(wù)，查看輸出結(jié)果為：
Thread 0: phase: 0
Thread 2: phase: 0
Thread 1: phase: 0
=======phase: 0 finished=============
Thread 2: phase: 1
Thread 0: phase: 1
Thread 1: phase: 1
=======phase: 1 finished=============
Thread 1: phase: 2
Thread 0: phase: 2
Thread 2: phase: 2
=======phase: 2 finished=============
Thread 0: phase: 3
Thread 2: phase: 3
Thread 1: phase: 3
=======phase: 3 finished=============可以看到，每個階段都是三個線程都完成了才進(jìn)入下一個階段。這是怎么實現(xiàn)的呢，讓我們一起來學(xué)習(xí)吧。
原理猜測
根據(jù)我們前面學(xué)習(xí)AQS的原理，大概猜測一下Phaser的實現(xiàn)原理。
首先，需要存儲當(dāng)前階段phase、當(dāng)前階段的任務(wù)數(shù)（參與者）parties、未完成參與者的數(shù)量，這三個變量我們可以放在一個變量state中存儲。
其次，需要一個隊列存儲先完成的參與者，當(dāng)最后一個參與者完成任務(wù)時，需要喚醒隊列中的參與者。
嗯，差不多就是這樣子。
結(jié)合上面的案例帶入：
初始時當(dāng)前階段為0，參與者數(shù)為3個，未完成參與者數(shù)為3；
第一個線程執(zhí)行到phaser.arriveAndAwaitAdvance();時進(jìn)入隊列；
第二個線程執(zhí)行到phaser.arriveAndAwaitAdvance();時進(jìn)入隊列；
第三個線程執(zhí)行到phaser.arriveAndAwaitAdvance();時先執(zhí)行這個階段的總結(jié)onAdvance()，再喚醒前面兩個線程繼續(xù)執(zhí)行下一個階段的任務(wù)。
嗯，整體能說得通，至于是不是這樣呢，讓我們一起來看源碼吧。
源碼分析
主要內(nèi)部類
static final class QNode implements ForkJoinPool.ManagedBlocker {
final Phaser phaser;
final int phase;
final boolean interruptible;
final boolean timed;
boolean wasInterrupted;
long nanos;
final long deadline;
volatile Thread thread; // nulled to cancel wait
QNode next;
QNode(Phaser phaser, int phase, boolean interruptible,
boolean timed, long nanos) {
this.phaser = phaser;
this.phase = phase;
this.interruptible = interruptible;
this.nanos = nanos;
this.timed = timed;
this.deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
thread = Thread.currentThread();
}
}先完成的參與者放入隊列中的節(jié)點，這里我們只需要關(guān)注thread和next兩個屬性即可，很明顯這是一個單鏈表，存儲著入隊的線程。
主要屬性
// 狀態(tài)變量，用于存儲當(dāng)前階段phase、參與者數(shù)parties、未完成的參與者數(shù)unarrived_count
private volatile long state;
// 最多可以有多少個參與者，即每個階段最多有多少個任務(wù)
private static final int MAX_PARTIES = 0xffff;
// 最多可以有多少階段
private static final int MAX_PHASE = Integer.MAX_VALUE;
// 參與者數(shù)量的偏移量
private static final int PARTIES_SHIFT = 16;
// 當(dāng)前階段的偏移量
private static final int PHASE_SHIFT = 32;
// 未完成的參與者數(shù)的掩碼，低16位
private static final int UNARRIVED_MASK = 0xffff; // to mask ints
// 參與者數(shù)，中間16位
private static final long PARTIES_MASK = 0xffff0000L; // to mask longs
// counts的掩碼，counts等于參與者數(shù)和未完成的參與者數(shù)的'|'操作
private static final long COUNTS_MASK = 0xffffffffL;
private static final long TERMINATION_BIT = 1L << 63;
// 一次一個參與者完成
private static final int ONE_ARRIVAL = 1;
// 增加減少參與者時使用
private static final int ONE_PARTY = 1 << PARTIES_SHIFT;
// 減少參與者時使用
private static final int ONE_DEREGISTER = ONE_ARRIVAL|ONE_PARTY;
// 沒有參與者時使用
private static final int EMPTY = 1;
// 用于求未完成參與者數(shù)量
private static int unarrivedOf(long s) {
int counts = (int)s;
return (counts == EMPTY) ? 0 : (counts & UNARRIVED_MASK);
}
// 用于求參與者數(shù)量（中間16位），注意int的位置
private static int partiesOf(long s) {
return (int)s >>> PARTIES_SHIFT;
}
// 用于求階段數(shù)（高32位），注意int的位置
private static int phaseOf(long s) {
return (int)(s >>> PHASE_SHIFT);
}
// 已完成參與者的數(shù)量
private static int arrivedOf(long s) {
int counts = (int)s; // 低32位
return (counts == EMPTY) ? 0 :
(counts >>> PARTIES_SHIFT) - (counts & UNARRIVED_MASK);
}
// 用于存儲已完成參與者所在的線程，根據(jù)當(dāng)前階段的奇偶性選擇不同的隊列
private final AtomicReference<QNode> evenQ;
private final AtomicReference<QNode> oddQ;主要屬性為state和evenQ及oddQ：
（1）state，狀態(tài)變量，高32位存儲當(dāng)前階段phase，中間16位存儲參與者的數(shù)量，低16位存儲未完成參與者的數(shù)量，本文由公從號“彤哥讀源碼”原創(chuàng)；
（2）evenQ和oddQ，已完成的參與者存儲的隊列，當(dāng)最后一個參與者完成任務(wù)后喚醒隊列中的參與者繼續(xù)執(zhí)行下一個階段的任務(wù)，或者結(jié)束任務(wù)。
構(gòu)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) {
if (parties >>> PARTIES_SHIFT != 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal number of parties");
int phase = 0;
this.parent = parent;
if (parent != null) {
final Phaser root = parent.root;
this.root = root;
this.evenQ = root.evenQ;
this.oddQ = root.oddQ;
if (parties != 0)
phase = parent.doRegister(1);
}
else {
this.root = this;
this.evenQ = new AtomicReference<QNode>();
this.oddQ = new AtomicReference<QNode>();
}
// 狀態(tài)變量state的存儲分為三段
this.state = (parties == 0) ? (long)EMPTY :
((long)phase << PHASE_SHIFT) |
((long)parties << PARTIES_SHIFT) |
((long)parties);
}構(gòu)造函數(shù)中還有一個parent和root，這是用來構(gòu)造多層級階段的，不在本文的討論范圍之內(nèi)，忽略之。
重點還是看state的賦值方式，高32位存儲當(dāng)前階段phase，中間16位存儲參與者的數(shù)量，低16位存儲未完成參與者的數(shù)量。
下面我們一起來看看幾個主要方法的源碼：
register()方法
注冊一個參與者，如果調(diào)用該方法時，onAdvance()方法正在執(zhí)行，則該方法等待其執(zhí)行完畢。
public int register() {
return doRegister(1);
}
private int doRegister(int registrations) {
// state應(yīng)該加的值，注意這里是相當(dāng)于同時增加parties和unarrived
long adjust = ((long)registrations << PARTIES_SHIFT) | registrations;
final Phaser parent = this.parent;
int phase;
for (;;) {
// state的值
long s = (parent == null) ? state : reconcileState();
// state的低32位，也就是parties和unarrived的值
int counts = (int)s;
// parties的值
int parties = counts >>> PARTIES_SHIFT;
// unarrived的值
int unarrived = counts & UNARRIVED_MASK;
// 檢查是否溢出
if (registrations > MAX_PARTIES - parties)
throw new IllegalStateException(badRegister(s));
// 當(dāng)前階段phase
phase = (int)(s >>> PHASE_SHIFT);
if (phase < 0)
break;
// 不是第一個參與者
if (counts != EMPTY) { // not 1st registration
if (parent == null || reconcileState() == s) {
// unarrived等于0說明當(dāng)前階段正在執(zhí)行onAdvance()方法，等待其執(zhí)行完畢
if (unarrived == 0) // wait out advance
root.internalAwaitAdvance(phase, null);
// 否則就修改state的值，增加adjust，如果成功就跳出循環(huán)
else if (UNSAFE.compareAndSwapLong(this, stateOffset,
s, s + adjust))
break;
}
}
// 是第一個參與者
else if (parent == null) { // 1st root registration
// 計算state的值
long next = ((long)phase << PHASE_SHIFT) | adjust;
// 修改state的值，如果成功就跳出循環(huán)
if (UNSAFE.compareAndSwapLong(this, stateOffset, s, next))
break;
}
else {
// 多層級階段的處理方式
synchronized (this) { // 1st sub registration
if (state == s) { // recheck under lock
phase = parent.doRegister(1);
if (phase < 0)
break;
// finish registration whenever parent registration
// succeeded, even when racing with termination,
// since these are part of the same "transaction".
while (!UNSAFE.compareAndSwapLong
(this, stateOffset, s,
((long)phase << PHASE_SHIFT) | adjust)) {
s = state;
phase = (int)(root.state >>> PHASE_SHIFT);
// assert (int)s == EMPTY;
}
break;
}
}
}
}
return phase;
}
// 等待onAdvance()方法執(zhí)行完畢
// 原理是先自旋一定次數(shù)，如果進(jìn)入下一個階段，這個方法直接就返回了，
// 如果自旋一定次數(shù)后還沒有進(jìn)入下一個階段，則當(dāng)前線程入隊列，等待onAdvance()執(zhí)行完畢喚醒
private int internalAwaitAdvance(int phase, QNode node) {
// 保證隊列為空
releaseWaiters(phase-1); // ensure old queue clean
boolean queued = false; // true when node is enqueued
int lastUnarrived = 0; // to increase spins upon change
// 自旋的次數(shù)
int spins = SPINS_PER_ARRIVAL;
long s;
int p;
// 檢查當(dāng)前階段是否變化，如果變化了說明進(jìn)入下一個階段了，這時候就沒有必要自旋了
while ((p = (int)((s = state) >>> PHASE_SHIFT)) == phase) {
// 如果node為空，注冊的時候傳入的為空
if (node == null) { // spinning in noninterruptible mode
// 未完成的參與者數(shù)量
int unarrived = (int)s & UNARRIVED_MASK;
// unarrived有變化，增加自旋次數(shù)
if (unarrived != lastUnarrived &&
(lastUnarrived = unarrived) < NCPU)
spins += SPINS_PER_ARRIVAL;
boolean interrupted = Thread.interrupted();
// 自旋次數(shù)完了，則新建一個節(jié)點
if (interrupted || --spins < 0) { // need node to record intr
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
// 節(jié)點入隊列
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 {
// 當(dāng)前線程進(jìn)入阻塞狀態(tài)，跟調(diào)用LockSupport.park()一樣，等待被喚醒
ForkJoinPool.managedBlock(node);
} catch (InterruptedException ie) {
node.wasInterrupted = true;
}
}
}
// 到這里說明節(jié)點所在線程已經(jīng)被喚醒了
if (node != null) {
// 置空節(jié)點中的線程
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
}
// 喚醒當(dāng)前階段阻塞著的線程
releaseWaiters(phase);
return p;
}增加一個參與者總體的邏輯為：
（1）增加一個參與者，需要同時增加parties和unarrived兩個數(shù)值，也就是state的中16位和低16位；
（2）如果是第一個參與者，則嘗試原子更新state的值，如果成功了就退出；
（3）如果不是第一個參與者，則檢查是不是在執(zhí)行onAdvance()，如果是等待onAdvance()執(zhí)行完成，如果否則嘗試原子更新state的值，直到成功退出；
（4）等待onAdvance()完成是采用先自旋后進(jìn)入隊列排隊的方式等待，減少線程上下文切換；
arriveAndAwaitAdvance()方法
當(dāng)前線程當(dāng)前階段執(zhí)行完畢，等待其它線程完成當(dāng)前階段。
如果當(dāng)前線程是該階段最后一個到達(dá)的，則當(dāng)前線程會執(zhí)行onAdvance()方法，并喚醒其它線程進(jìn)入下一個階段。
public int arriveAndAwaitAdvance() {
// Specialization of doArrive+awaitAdvance eliminating some reads/paths
final Phaser root = this.root;
for (;;) {
// state的值
long s = (root == this) ? state : reconcileState();
// 當(dāng)前階段
int phase = (int)(s >>> PHASE_SHIFT);
if (phase < 0)
return phase;
// parties和unarrived的值
int counts = (int)s;
// unarrived的值（state的低16位）
int unarrived = (counts == EMPTY) ? 0 : (counts & UNARRIVED_MASK);
if (unarrived <= 0)
throw new IllegalStateException(badArrive(s));
// 修改state的值
if (UNSAFE.compareAndSwapLong(this, stateOffset, s,
s -= ONE_ARRIVAL)) {
// 如果不是最后一個到達(dá)的，則調(diào)用internalAwaitAdvance()方法自旋或進(jìn)入隊列等待
if (unarrived > 1)
// 這里是直接返回了，internalAwaitAdvance()方法的源碼見register()方法解析
return root.internalAwaitAdvance(phase, null);
// 到這里說明是最后一個到達(dá)的參與者
if (root != this)
return parent.arriveAndAwaitAdvance();
// n只保留了state中parties的部分，也就是中16位
long n = s & PARTIES_MASK; // base of next state
// parties的值，即下一次需要到達(dá)的參與者數(shù)量
int nextUnarrived = (int)n >>> PARTIES_SHIFT;
// 執(zhí)行onAdvance()方法，返回true表示下一階段參與者數(shù)量為0了，也就是結(jié)束了
if (onAdvance(phase, nextUnarrived))
n |= TERMINATION_BIT;
else if (nextUnarrived == 0)
n |= EMPTY;
else
// n 加上unarrived的值
n |= nextUnarrived;
// 下一個階段等待當(dāng)前階段加1
int nextPhase = (phase + 1) & MAX_PHASE;
// n 加上下一階段的值
n |= (long)nextPhase << PHASE_SHIFT;
// 修改state的值為n
if (!UNSAFE.compareAndSwapLong(this, stateOffset, s, n))
return (int)(state >>> PHASE_SHIFT); // terminated
// 喚醒其它參與者并進(jìn)入下一個階段
releaseWaiters(phase);
// 返回下一階段的值
return nextPhase;
}
}
}arriveAndAwaitAdvance的大致邏輯為：
（1）修改state中unarrived部分的值減1；
（2）如果不是最后一個到達(dá)的，則調(diào)用internalAwaitAdvance()方法自旋或排隊等待；
（3）如果是最后一個到達(dá)的，則調(diào)用onAdvance()方法，然后修改state的值為下一階段對應(yīng)的值，并喚醒其它等待的線程；
（4）返回下一階段的值；
總結(jié)
（1）Phaser適用于多階段多任務(wù)的場景，每個階段的任務(wù)都可以控制得很細(xì)；
（2）Phaser內(nèi)部使用state變量及隊列實現(xiàn)整個邏輯，本文由公從號“彤哥讀源碼”原創(chuàng)；
（3）state的高32位存儲當(dāng)前階段phase，中16位存儲當(dāng)前階段參與者（任務(wù)）的數(shù)量parties，低16位存儲未完成參與者的數(shù)量unarrived；
（4）隊列會根據(jù)當(dāng)前階段的奇偶性選擇不同的隊列；
（5）當(dāng)不是最后一個參與者到達(dá)時，會自旋或者進(jìn)入隊列排隊來等待所有參與者完成任務(wù)；
（6）當(dāng)最后一個參與者完成任務(wù)時，會喚醒隊列中的線程并進(jìn)入下一個階段；
彩蛋
Phaser相對于CyclicBarrier和CountDownLatch的優(yōu)勢？
答：優(yōu)勢主要有兩點：
（1）Phaser可以完成多階段，而一個CyclicBarrier或者CountDownLatch一般只能控制一到兩個階段的任務(wù)；
（2）Phaser每個階段的任務(wù)數(shù)量可以控制，而一個CyclicBarrier或者CountDownLatch任務(wù)數(shù)量一旦確定不可修改。
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