C# Barrier 类使用详解

总目录

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前言

Barrier 是 C# 中用于多线程分阶段协同工作的同步工具，位于 System.Threading 命名空间下。它允许多个线程在指定阶段（Phase）的屏障点（Barrier Point）同步，所有线程到达屏障点后，才能一起进入下一阶段。适用于需要分步骤并行处理的任务（例如并行计算、流水线处理）。

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一、核心概念

Barrier 是一种同步机制，用于协调多个线程在执行某个阶段工作时进行等待，直到所有参与的线程都达到某个同步点后再继续执行。这对于需要在多个线程之间进行阶段性同步的场景非常有用

• 分阶段协作：
  • 线程在执行过程中按阶段同步，所有线程完成当前阶段/相位（phase）后，才能继续下一阶段/相位（phase）。
  • Barrier 允许多个线程在多个阶段的工作中进行同步。每个线程在每个阶段完成工作后调用 SignalAndWait() 方法，通知 Barrier 自己已经到达同步点。
• 参与者（Participants）：注册到 Barrier 的线程数量，初始化时指定，可以通过 AddParticipant() 和 RemoveParticipant() 动态调整参与者的数量。
• 阶段编号（Phase Number）：从 0 开始递增，每次所有线程到达屏障点后，阶段编号自动加 1。
• 回调函数（Post-Phase Action）：
  • 可指定一个委托，在所有线程到达屏障点时触发（适合清理或日志操作）。
  • 可以在每个阶段结束时执行一个回调函数，例如收集数据、更新进度等。
• 适用场景：适用于需要多阶段并行处理的场景，如并行计算、多阶段数据处理等。
  • 多线程计算：每个线程负责计算一部分数据，所有线程在每个计算阶段结束后需要同步。
  • 多步流水线处理：每个线程负责流水线中的一个步骤，所有线程在每一步结束后需要同步。

二、基本用法

1. 构造函数

public Barrier(int participantCount);
public Barrier(int participantCount, Action<Barrier>? postPhaseAction);

// 初始化时指定参与者数量（线程数）和可选的阶段完成回调
var barrier = new Barrier(participantCount: 3, postPhaseAction: phase => 
{Console.WriteLine($"阶段 {phase} 完成");
});

• participantCount：参与同步的线程数量。
• postPhaseAction：每个阶段结束时执行的回调函数，参数为当前 Barrier 对象。

2. 主要方法和属性

方法	作用
SignalAndWait()	通知屏障当前线程已到达屏障点，并阻塞直到所有参与者到达。 表示当前线程已完成当前阶段的工作，并等待所有其他参与者也完成该阶段的工作。
AddParticipant()	增加一个参与者。
RemoveParticipant()	减少一个参与者。
ParticipantsRemaining	获取当前相位中还未到达屏障点的参与者数量。
CurrentPhaseNumber	获取当前屏障的相位编号。
Dispose()	释放资源。

三、示例

示例 1：多线程分阶段处理

using System.Threading;class Program
{static Barrier barrier = new Barrier(3, phase => {Console.WriteLine($"\n所有线程完成阶段 {phase.CurrentPhaseNumber}\n");});static void Main(){new Thread(DoWork).Start("A");new Thread(DoWork).Start("B");new Thread(DoWork).Start("C");}static void DoWork(object name){for (int phase = 0; phase < 2; phase++){Console.WriteLine($"{name} 正在执行阶段 {phase}");Thread.Sleep(100);barrier.SignalAndWait(); // 等待其他线程}}
}

输出：

A 正在执行阶段 0
B 正在执行阶段 0
C 正在执行阶段 0
所有线程完成阶段 0A 正在执行阶段 1
B 正在执行阶段 1
C 正在执行阶段 1
所有线程完成阶段 1

using System;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;class Program
{static Barrier barrier = new Barrier(3, b =>{Console.WriteLine($"所有参与者完成了第 {b.CurrentPhaseNumber} 阶段");});static void Main(string[] args){Console.WriteLine("启动三个任务...");for (int i = 1; i <= 3; i++){int taskId = i;Task.Run(() =>{for (int phase = 1; phase <= 2; phase++) // 模拟两个阶段{Console.WriteLine($"任务 {taskId} 开始执行阶段 {phase}");Thread.Sleep(1000); // 模拟任务执行时间Console.WriteLine($"任务 {taskId} 完成阶段 {phase}");barrier.SignalAndWait(); // 等待所有任务完成当前阶段}});}// 等待所有任务完成Console.ReadKey();}
}

输出

启动三个任务...
任务 2 开始执行阶段 1
任务 3 开始执行阶段 1
任务 1 开始执行阶段 1
任务 3 完成阶段 1
任务 1 完成阶段 1
任务 2 完成阶段 1
所有参与者完成了第 0 阶段
任务 2 开始执行阶段 2
任务 3 开始执行阶段 2
任务 1 开始执行阶段 2
任务 1 完成阶段 2
任务 2 完成阶段 2
任务 3 完成阶段 2
所有参与者完成了第 1 阶段

示例 2：动态调整参与者

using System;
using System.Threading;class Program
{static Barrier barrier = new Barrier(2, phase =>{Console.ForegroundColor = ConsoleColor.Red;Console.WriteLine($"\n[阶段 {phase.CurrentPhaseNumber} 完成] 当前参与者数量: {barrier.ParticipantCount}\n");Console.ResetColor();});static void Main(){// 初始启动2个线程StartThread("A");StartThread("B");Console.ReadKey();}static void StartThread(string name){new Thread(() =>{for (int phase = 0; phase < 4; phase++){// 模拟工作Thread.Sleep(100);Console.WriteLine($"{name} 完成阶段 {phase}");// 等待其他线程到达屏障点barrier.SignalAndWait();// 动态调整参与者（仅在特定阶段触发）if (phase == 1 && name == "A"){// 阶段1完成后新增1个参与者barrier.AddParticipant();Console.WriteLine("新增参与者：线程C");StartThread("C");}else if (phase == 2 && name == "A"){// 阶段2完成后移除1个参与者barrier.RemoveParticipant();Console.WriteLine("移除参与者：线程A");break; // 确保线程A能够退出}}}){ Name = name }.Start();}
}

输出：

A 完成阶段 0
B 完成阶段 0[阶段 0 完成] 当前参与者数量: 2B 完成阶段 1
A 完成阶段 1[阶段 1 完成] 当前参与者数量: 2新增参与者：线程C
A 完成阶段 2
C 完成阶段 0
B 完成阶段 2[阶段 2 完成] 当前参与者数量: 3移除参与者：线程A
C 完成阶段 1
B 完成阶段 3[阶段 3 完成] 当前参与者数量: 2C 完成阶段 2

示例3：多任务下载

using System;
using System.Net.Http;
using System.Threading;
using System.Threading.Tasks;class Program
{static void Main(){// 假设我们有三个文件需要下载string[] urls = new string[]{"https://example.com/file1","https://example.com/file2","https://example.com/file3"};// 设置参与的线程数为文件数，并在每个阶段结束时输出状态Barrier barrier = new Barrier(urls.Length, (b) =>{Console.WriteLine($"所有任务在阶段 {b.CurrentPhaseNumber} 完成。");});// 创建并启动下载任务for (int i = 0; i < urls.Length; i++){int localI = i;Task.Run(async () =>{using (HttpClient client = new HttpClient()){for (int phase = 0; phase < 3; phase++) // 设定3个阶段{// 假设每个阶段下载一部分Console.WriteLine($"任务 {localI} 在阶段 {phase} 开始下载。");await DownloadPartialFile(client, urls[localI], phase);Console.WriteLine($"任务 {localI} 在阶段 {phase} 完成下载。");// 等待其他任务barrier.SignalAndWait();}}});}// 等待所有任务完成Console.ReadLine();}// 模拟分段下载static async Task DownloadPartialFile(HttpClient client, string url, int phase){// 这里我们只是模拟下载，实际应用中可以根据 URL 和 phase 来下载文件的不同部分await Task.Delay(new Random().Next(1000, 2000)); // 模拟下载时间Console.WriteLine($"下载 {url} 的阶段 {phase} 部分完成。");}
}

四、高级用法

1. 自定义阶段回调

var barrier = new Barrier(3, phase =>
{if (phase.CurrentPhaseNumber == 0) {Console.WriteLine("第一阶段数据已就绪");}else if (phase.CurrentPhaseNumber == 1){Console.WriteLine("第二阶段计算完成");}
});

2. 超时设置

• 若某个线程未调用 SignalAndWait()，其他线程将永久阻塞。
• 解决方法：结合超时机制。

  bool success = barrier.SignalAndWait(TimeSpan.FromSeconds(5));
  if (!success) Console.WriteLine("等待超时");
  

五、替代方案

• CountdownEvent：适合一次性等待多个任务完成，而非分阶段。
• ManualResetEvent：适合简单的事件通知，无阶段概念。
• Task 和 async/await：更适合基于任务的异步编程模型。

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结语

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