Java并发基础：Phaser全面解析！

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：https://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：

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. getRegisteredParties()： 获取当前注册的线程数。
10. getArrivedParties()： 获取已经到达当前屏障的线程数。
11. 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。
12. 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。
13. 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。
14. 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：

1. 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。
2. 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。
3. 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。

END!