并发编程之Phaser原理与应用

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 前言

JDK5中引入了CyclicBarrier和CountDownLatch这两个并发控制类，而JDK7中引入的Phaser按照官方的说法是提供了一个功能类似但是更加灵活的实现。接下来我们带着几个问题来研究一下Phaser与(CountDownLath、CyclicBarrier)到底有哪些类似，同时带来了哪些灵活性?

1. Phaser 是什么?
2. Phaser 具有哪些特性?
3. Phaser相对于 CyclicBarrier 和 CountDownLatch的优势?

CyclicBarrier和CountDownLatch

CyclicBarrier介绍

在使用CyclicBarrier时，需要创建一个CyclicBarrier对象，构造函数需要一个整数作为参数，这个参数是一个“目标”，在CyclicBarrier对象创建后，内部会有一个计数器，初始值为0，CyclicBarrier对象的await方法每被调用一次，这个计数器就会加1，一旦这个计数器的值达到设定的“目标”，所有被CyclicBarrier.await阻塞住的线程都会继续执行。这个目标是固定的，一旦设定便不能修改。

举一个例子，假设有5个人爬香山，他们要爬到山顶，等到5个人到齐了再同时出发下山，那么我们要在山顶设定一个“目标”，同时还有一个计数器，这个目标就是5，每一个人到山顶后，这个人就要等待，同时计数器加1，等到5个人到齐了，也就是计数器达到了这个“目标”，所有等待的人就开始下山了。 更多内容请阅读《并发编程之CyclicBarrier原理与使用》

CountDownLathch介绍

使用CountDownLatch时，需要创建一个CountDownLatch对象，构造函数也需要一个整数作为参数，可以把这个参数想象成一个倒计时器，CountDownLatch对象本身是一个发令枪，所有调用CountDownLatch.await方法的线程都会等待发令枪的指令，一旦倒计时器为0，这些线程同时开始执行，而CountDownLatch.countDown方法就是为倒计时器减1。

更多内容请阅读《并发编程之CountDownLatch原理与使用》

对比分析

CyclicBarrier和CountDownLatch的共同点都是有一个目标和一个计数器，等到计数器达到目标后，所有阻塞的线程都将继续执行。它们的不同点是CyclicBarrier.await在等待的同时还修改计数器，而CountDownLatch.await只负责等待，CountDownLatch.countDown才修改计数器。

CountDownLatch和CyclicBarrier都能够实现线程之间的等待，只不过它们侧重点不同：

• CountDownLatch一般用于一个或多个线程，等待其他线程执行完任务后，再才执行;
• CyclicBarrier一般用于一组线程互相等待至某个状态，然后这一组线程再同时执行;
• CountDownLatch 是一次性的，CyclicBarrier 是可循环利用的;
• CountDownLathch是一个计数器，线程完成一个记录一个，计数器递减，只能用一次。如下图：

CyclicBarrier的计数器更像一个阀门，需要所有线程都到达，然后继续执行，计数器递减，提供reset功能，可以多次使用。如下图：

Phaser是什么?

Phaser，翻译为移相器(阶段)，它适用于这样一种场景，一个大任务可以分为多个阶段完成，且每个阶段的任务可以多个线程并发执行，但是必须上一个阶段的任务都完成了才可以执行下一个阶段的任务。

这种场景虽然使用CyclicBarrier 或者 CountDownLatch 也可以实现，但是要复杂的多，首先，具体需要多少个阶段是可能变的，其次，每个阶段的任务数也可能会变的。相比于CyclicBarrier 和 CountDownLath ，Phaser更加灵活更加方便。

Phaser使用方法

Phaser同时包含CyclicBarrier和CountDownLatch两个类的功能。

• Phaser的arrive方法将将计数器加1，awaitAdvance将线程阻塞，直到计数器达到目标，这两个方法与CountDownLatch的countDown和await方法相对应;
• Phaser的arriveAndAwaitAdvance方法将计数器加1的同时将线程阻塞，直到计数器达到目标后继续执行，这个方法对应CyclicBarrier的await方法。

除了包含以上两个类的功能外，Phaser还提供了更大的灵活性。CyclicBarrier和CountdownLatch在构造函数指定目标后就无法修改，而Phaser提供了register和deregister方法可以对目标进行动态修改。

下面看一个最简单的使用案例：

package com.niuh.tools; 
 
import java.util.concurrent.Phaser; 
 
/** 
 * <p> 
 * Phaser示例 
 * </p> 
 */ 
public class PhaserRunner { 
    // 定义每个阶段需要执行3个小任务 
    public static final int PARTIES = 3; 
    // 定义需要4个阶段完成的大任务 
    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) { 
                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(); 
        } 
    } 
} 

 这里我们定义个需要4个阶段完成的大任务，每个阶段需要3个小任务，针对这些小任务，我们分别起3个线程来执行这些小任务，查看输出结果为：

• Thread 2: phase: 0
• Thread 0: phase: 0
• Thread 1: phase: 0
• ==phase: 0 finished==
• Thread 2: phase: 1
• Thread 1: phase: 1
• Thread 0: phase: 1
• ==phase: 1 finished==
• Thread 1: phase: 2
• Thread 2: phase: 2
• Thread 0: phase: 2
• ==phase: 2 finished==
• Thread 1: phase: 3
• Thread 0: phase: 3
• Thread 2: phase: 3
• ==phase: 3 finished==

可以看到，每个阶段都是三个线程都完成来才进入下一个阶段。这是怎么实现的呢?

Phaser原理猜测

结合AQS的原理，大概猜测一下Phaser的实现原理：

• 首先，需要存储当前阶段phase、当前阶段的任务数(参与者)parties、未完成参与者的数量，这三个变量我们可以放在一个变量state中存储。
• 其次，需要一个队列存储先完成的参与者，当最后一个参与者完成任务时，需要唤醒队列中的参与者。

结合上面的案例带入：初始时当前阶段为0，参与者为3个，未完成参与者数为3;

• 第一个线程执行到 phaser.arriveAndAwaitAdvance(); 时进入队列;
• 第二个线程执行到 phaser.arriveAndAwaitadvance(); 时进入队列;
• 第三个线程执行到 phaser.arriveAndAwaitadvance(); 时先执行这个阶段的总结 onAdvance(), 再唤醒签名两个线程继续执行下一个阶段的任务。

基于这样的一个思路，整体能说的通，至于是不是这样?让我们一起来看源码吧。

Phaser源码分析

主要API

1. register()，增加一个参与者，需要同时增加parties和unarrived两个数值，也就是state中的16位和低16位
2. onAdvance(int phase, int registeredParties)，当前阶段所有线程完成时，会调用OnAdvance()
3. bulkRegister(int parties)，指定参与者数目注册到Phaser中，同时增加parties和unarrived两个数值
4. arrive()，作用使parties值加1，并且不在屏障处等待，直接运行下面的代码
5. awaitAdvance(int phase)，如果传入的参数与当前阶段一致，这个方法会将当前线程置于休眠，直到这个阶段的参与者都完成运行。如果传入的阶段参数与当前阶段不一致，立即返回
6. arriveAndAwaitAdvance()，当前线程当前阶段执行完毕，等待其它线程完成当前阶段
7. arriveAndDeregister()，当一个线程调用来此方法时，parties将减1，并且通知这个线程已经完成来当前预警，不会参加到下一个阶段中，因此Phaser对象在开始下一个阶段时不会等待这个线程。
8. awaitAdvanceInterruptibly(int phase)，这个方法跟awaitAdvance(int phase)一样，不同之处是，如果这个方法中休眠的线程被中断，它将抛出InterruptedException异常。
9. getPhase()，当前阶段
10. getRegisteredParties()，总数
11. getArrivedParties()，到达总数
12. getUnarrivedParties()，未到达总数

内部类QNode

QNode用来跟踪当前线程的信息的。QNode被组织成单向链表的形式。用来管理是否阻塞或者被中断。

QNode继承自ForkJoinPool.ManagedBlocker。ForkJoinPool来管理是否阻塞和中断状态。这里只需要重写isReleasable和block。

• isReleaseable用于判断是否释放当前节点。
• block用于阻塞。

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(); 
        } 
 
        public boolean isReleasable() { 
            if (thread == null) 
                return true; 
            if (phaser.getPhase() != phase) { 
                thread = null; 
                return true; 
            } 
            if (Thread.interrupted()) 
                wasInterrupted = true; 
            if (wasInterrupted && interruptible) { 
                thread = null; 
                return true; 
            } 
            if (timed) { 
                if (nanos > 0L) { 
                    nanos = deadline - System.nanoTime(); 
                } 
                if (nanos <= 0L) { 
                    thread = null; 
                    return true; 
                } 
            } 
            return false; 
        } 
 
        public boolean block() { 
            if (isReleasable()) 
                return true; 
            else if (!timed) 
                LockSupport.park(this); 
            else if (nanos > 0L) 
                LockSupport.parkNanos(this, nanos); 
            return isReleasable(); 
        } 
    } 

 整体代码比较简单。要注意的是在isReleasable中使用了thread=null来使得避免解锁任务。使用方法类似于internalAwaitAdvance中的用法。先完成的参与者放入队列中的节点，这里我们只需要关注 thread 和 next两个属性即可，很明显这是一个单链表，存储这入队的线程。

主要属性

/* 
 * unarrived  -- 还没有抵达屏障的参与者的个数 (bits 0-15) 
 * parties    -- 需要等待的参与者的个数      (bits 16-31) 
 * phase      -- 屏障所处的阶段             (bits 32-62) 
 * terminated -- 屏障的结束标记             (bit 63 / sign) 
 */ 
// 状态变量，用于存储当前阶段phase、参与者数parties、未完成的参与者数unarrived_count  
private volatile long state; 
// 最多可以有多少个参与者，即每个阶段最多有多少个任务 
private static final int  MAX_PARTIES     = 0xffff; 
// 最多可以有多少阶段 
private static final int  MAX_PHASE       = Integer.MAX_VALUE; 
// 参与者数量的偏移量 
private static final int  PARTIES_SHIFT   = 16; 
// 当前阶段的偏移量 
private static final int  PHASE_SHIFT     = 32; 
// 未完成的参与者数的掩码，低16位 
private static final int  UNARRIVED_MASK  = 0xffff;      // to mask ints 
// 参与者数，中间16位 
private static final long PARTIES_MASK    = 0xffff0000L; // to mask longs 
// counts的掩码，counts等于参与者数和未完成的参与者数的 '｜' 操作 
private static final long COUNTS_MASK     = 0xffffffffL; 
private static final long TERMINATION_BIT = 1L << 63; 
 
// 一次一个参与者完成 
private static final int  ONE_ARRIVAL     = 1; 
// 增加减少参与者时使用 
private static final int  ONE_PARTY       = 1 << PARTIES_SHIFT; 
// 减少参与者时使用 
private static final int  ONE_DEREGISTER  = ONE_ARRIVAL|ONE_PARTY; 
// 没有参与者使用 
private static final int  EMPTY           = 1; 
// 用于求未完成参与者数量 
private static int unarrivedOf(long s) { 
 int counts = (int)s; 
    return (counts == EMPTY) ? 0 : (counts & UNARRIVED_MASK); 
} 
// 用于求参与者数量（中间16位），注意int的为止 
private static int partiesOf(long s) { 
 return (int)s >>> PARTIES_SHIFT; 
} 
// 用于求阶段数（高32位），注意int的位置 
private static int phaseOf(long s) { 
 return (int)(s >>> PHASE_SHIFT); 
} 
// 已完成参与者数量 
private static int arrivedOf(long s) { 
 int counts = (int)s; 
 return (counts == EMPTY) ? 0 : 
  (counts >>> PARTIES_SHIFT) - (counts & UNARRIVED_MASK); 
} 
 
/** 
* 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; 
 
// 用于存储已经=完成参与者所在的线程，根据当前阶段的奇偶性选择不同的队列 
private final AtomicReference<QNode> evenQ; 
private final AtomicReference<QNode> oddQ; 

主要属性位 state 和 evenQ 及 oddQ

• state，volatile的long来表示状态变量，高32位存储当前阶段phase，中间16位存储参与者的数量，低16位存储未完成参与者的数量。 

• unarrived -- 还没有抵达屏障的参与者的个数 (bits 0-15)
• parties -- 需要等待的参与者的个数 (bits 16-31)
• phase -- 屏障所处的阶段 (bits 32-62)
• terminated -- 屏障的结束标记 (bit 63 / sign)

如果是空状态，也就是没有子阶段注册的初始阶段。这里用一个EMPTY状态表示，也就是0个子阶段和一个未到达阶段。

所有的状态变化都是通过CAS操作执行的，唯一例外是注册一个子相移器(sub-Phaser)，用于构成树的，也就是Phaser的父Phaser非空。这个子相移器的分阶段是通过一个内置锁来设置。

• evenQ 和 oddQ，是根据phaser的奇偶状态来设置的，用来存储等待的线程。为了避免竞争，这里使用了Phaser的数值奇偶来存储，此外对于子相移器，它与其根相移器使用同一个evenQ或者oddQ，以加速释放。

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) { 
 if (parties >>> PARTIES_SHIFT != 0) 
  throw new IllegalArgumentException("Illegal number of parties"); 
    int phase = 0; 
    this.parent = parent; 
    if (parent != null) { // 父phaser不为空 
     final Phaser root = parent.root; 
        this.root = root; // 指向root phaser 
        this.evenQ = root.evenQ; // 两个栈，整个phaser链只有一份 
        this.oddQ = root.oddQ; 
        if (parties != 0) 
         phase = parent.doRegister(1); // 向父phaser注册当前线程 
    } 
    else { 
     this.root = this; // 否则，自己是root phaser 
        this.evenQ = new AtomicReference<QNode>(); // 负责创建两个栈（QNode链） 
        this.oddQ = new AtomicReference<QNode>(); 
    } 
    // 状态变量state的存储分为三段 
    this.state = (parties == 0) ? (long)EMPTY : 
            ((long)phase << PHASE_SHIFT) | 
            ((long)parties << PARTIES_SHIFT) | 
            ((long)parties); 
} 

 构造函数中还有一个parent和root，这是用来构造多层级阶段的，用于构成树的。

重点还是还是看state的赋值方式，高32位存储当前阶段phase，中间16位存储参与者的数量，低16位存储未完成参与者的数量。

主要方法

下面我们一起来看看几个主要方法的源码，重点是三个private的核心方法：doArrive、doRegister、reconcileState

register方法

增加一个参与者，需要同时增加parties和unarrived两个数值，也就是state中的16位和低16位(中间16位存储参与者的数量，低16位存储未完成参与者的数量)

public int register() { 
 return doRegister(1); 
} 

 这里主要调用的是doRegister方法，我们往下看。

doRegister方法

private int doRegister(int registrations) { 
    // adjustment to state 
    // state应该加的值，注意这里是相当于同时增加parties和unarrived 
    long adjust = ((long)registrations << PARTIES_SHIFT) | registrations; //计算出需要调整的量 
    final Phaser parent = this.parent; //查看可能存在的相移器 
    int phase; 
    for (;;) { 
        // state的值 
        long s = (parent == null) ? state : reconcileState(); // reconcileState()方法是调整当前phaser的状态与root的一致 
        // state的低32未，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; 
        // 检查是否溢出 
        if (registrations > MAX_PARTIES - parties) //如果需要注册的数量超过运行注册的最大值，则抛出异常状态异常 
            throw new IllegalStateException(badRegister(s)); 
  // 当前阶段phase 
        phase = (int)(s >>> PHASE_SHIFT); 
        if (phase < 0) //如果当前状态为终止状态则跳出循环直接退出 
            break; 
        // 不是第一个参与者 
        if (counts != EMPTY) {          // not 1st registration //如果当前状态不是第一次注册线程 
            if (parent == null || reconcileState() == s) { //如果当相移器的父相移器为空，则直接信息CAS，如果当前相移器部位空则调用reconcileState处理，这个稍后再看。reconcileState这里主要为了防止出现同步性错误。 
                // unarrived等于0说明当前阶段正在执行onAdvance()方法，等待其执行完毕 
                if (unarrived == 0)             // wait out advance 
                    root.internalAwaitAdvance(phase, null); 
                // 否则就修改state的值，增加adjust，如果成功就跳出循环 
                else if (UNSAFE.compareAndSwapLong(this, stateOffset, 
                                                   s, s + adjust)) 
                    break; 
            } 
        } 
        // 是第一个参与者，当前状态是第一次注册。如果如果当前相移器没有父相移器。则直接进行CAS 
        else if (parent == null) {          // 1st root registration 
            // 计算state的值 
            long next = ((long)phase << PHASE_SHIFT) | adjust; 
            // 修改state的值，如果成功就跳出循环 
            if (UNSAFE.compareAndSwapLong(this, stateOffset, s, next)) 
             break; 
            } 
        else { // 如果当前是第一次设置，并且该相移器被组织在一个树中则需要考虑一下，则需要使用内置锁来进如 
            // 多层级阶段的处理方式 
            synchronized (this) {               // 1st sub registration 
                if (state == s) {               // recheck under lock 这里有可能发生竞争。所以这里还需要检查一下，如果失败则需退出同步区重新尝试进入。 
                    phase = parent.doRegister(1); // 调用其父相移器的注册方法 
                    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; 
} 

 增加一个参与者的总体的逻辑为：

• 增加一个参与者，需要同时增加parties和unarrived两个数值，也就是state中的16位和低16位;
• 如果是第一个参与者，则尝试原子更新state的值，如果成功了就退出;
• 如果不是第一个参与者，则检查是不是在执行onAdvance() , 如果是等待onAdvance() 执行完成，如果否则尝试原子更新state的值，直到成功退出;
• 等待onAdvance() 完成是采用先自旋后进入队列排队的方式等待，减少线程上下文切换;

arriveAndAwaitAdvance()方法

当前线程当前阶段执行完毕，等待其他线程完成当前阶段。 如果当前线程是该阶段最后一个到达的，则当前线程会执行onAdvance()方法，并唤醒其它线程进入下一个阶段。

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(); 
         // 当前阶段 
         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)) { 
             // 如果不是最后一个到达的，则调用internalAwaitAdvance()方法自旋或进入队列等待 
             if (unarrived > 1) 
                 // 这里是直接返回了，internalAwaitAdvance()方法的源码见register()方法解析 
                 return root.internalAwaitAdvance(phase, null); 
             // 到这里说明是最后一个到达的参与者 
             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，即下一次需要到达的参与者数量 
             int nextUnarrived = (int)n >>> PARTIES_SHIFT; 
             // 执行onAdvance()方法，返回true表示下一阶段参与者数量为0了，也就是结束了 
             if (onAdvance(phase, nextUnarrived)) 
                 n |= TERMINATION_BIT; 
             else if (nextUnarrived == 0) 
                 n |= EMPTY; 
             else 
                 n |= nextUnarrived; // n加上unarrived的值 
             // 下阶段等待当前阶段加1 
             int nextPhase = (phase + 1) & MAX_PHASE; 
             // n 加上下一个阶段的值 
             n |= (long)nextPhase << PHASE_SHIFT; 
             // 修改state的值为n 
             if (!UNSAFE.compareAndSwapLong(this, stateOffset, s, n)) 
                 return (int)(state >>> PHASE_SHIFT); // terminated 
             // 唤醒其它参与者并进入下一个阶段 
             releaseWaiters(phase); 
             // 返回下一阶段的值 
             return nextPhase; 
         } 
     } 
 } 

 arriveAndAwaitAdvance的大致逻辑为：

• 修改state中unarrived部分的值减1;
• 如果不是最后一个到达，则调用internalAwaitAdvance() 方法自旋或排队等待;
• 如果是最后一个到达的，则调用onAdvance() 方法，然后修改state的值为下一阶段对应的值，并唤醒其它等待的线程;
• 返回下一阶段俄值。

internalAwaitAdvance方法

internalAwaitAdvance方法。实际上Phaser中阻塞都是通过这个语句实现的。这个语句必须通过根相移器调用。换句话说所有的阻塞都是在根相移器阻塞的。

输入参数中phase是需要阻塞的阶段。node是用来跟踪可能中断的阻塞节点。

// 等待onAdvance()方法执行完毕 
// 原理是先自旋一定次数，如果进入下一个阶段，这个方法直接返回了， 
// 如果自旋一定次数还没有进入下一个阶段，则当前线程入队列，等待onAdvance()执行完成唤醒 
private int internalAwaitAdvance(int phase, QNode node) { 
    // assert root == this; 
    // 保证队列为空 
    releaseWaiters(phase-1);      // ensure old queue clean 
    boolean queued = false;       // true when node is enqueued 
    int lastUnarrived = 0;        // to increase spins upon change 
    // 自旋的次数 
    int spins = SPINS_PER_ARRIVAL; 
    long s; 
    int p; 
    // 检查当前阶段是否变化，如果变化了说明进入下一个阶段了，这时候就没有必要自旋了 
    while ((p = (int)((s = state) >>> PHASE_SHIFT)) == phase) { 
        // 如果node为空，注册的时候传入的为空 
        if (node == null) {           // spinning in noninterruptible mode 
            // 未完成的参与者数量 
            int unarrived = (int)s & UNARRIVED_MASK; 
            // unarrived 有变化，增加自旋次数 
            if (unarrived != lastUnarrived && 
                (lastUnarrived = unarrived) < NCPU) 
                spins += SPINS_PER_ARRIVAL; 
            boolean interrupted = Thread.interrupted(); 
            // 自旋次数万了，则新建一个节点 
            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 
            // 节点入队列 
            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 { 
                // 当前线程进入阻塞状态，跟调用LockSupport.park()一样，等待被唤醒。 
                ForkJoinPool.managedBlock(node); 
            } catch (InterruptedException ie) { 
                node.wasInterrupted = true; 
            } 
        } 
   } 
 // 到这里说明节点所在线程已经被唤醒了 
    if (node != null) { 
        // 置空节点中的线程 
        if (node.thread != null) 
        node.thread = null;       // 被唤醒后，置空thread引用，避免再次unpark 
        if (node.wasInterrupted && !node.interruptible) // 不可中断模式下，传递中断 
            Thread.currentThread().interrupt(); 
        if (p == phase && (p = (int)(state >>> PHASE_SHIFT)) == phase) 
            return abortWait(phase); // 依旧没有进入到下一个状态，清除那些由于超时或中断不再等待下一阶段的结点 
    } 
    // 唤醒阻塞的线程 
    releaseWaiters(phase); 
    return p; 
} 

 doArrive方法

doArrive是用来完成任务完成后到达的操作的

private int doArrive(boolean deregister) { 
    int adj = deregister ? ONE_ARRIVAL|ONE_PARTY : ONE_ARRIVAL;//通过传入参数判断有哪些参数需要减1。 
    final Phaser root = this.root; 
    for (;;) { 
        long s = (root == this) ? state : reconcileState();//获取当前状态,以及并解析当前参数。 
        int phase = (int)(s >>> PHASE_SHIFT); 
        int counts = (int)s; 
        int unarrived = (counts & UNARRIVED_MASK) - 1; 
        if (phase < 0)//phase为负说明出现特殊情况则将phase返回。 
            return phase; 
        else if (counts == EMPTY || unarrived < 0) {//如果状态为空或者未到达线程为负，则逻辑上不应该存在线程到达， 
            if (root == this || reconcileState() == s)//如果root为this则说明状态出错抛出异常，但是如果该相移器还有父相移器，则还有可能出现相位传播的延迟，这里交给reconcileState来判断，如果依然出现非法状态则抛出异常。reconcileState后面会说到。 
                throw new IllegalStateException(badArrive(s)); 
        } 
        else if (UNSAFE.compareAndSwapLong(this, stateOffset, s, s-=adj)) {//完成条件判断后，尝试CAS设置当前状态。 
            if (unarrived == 0) {//如果当前到达是该阶段最后一个到达的程序则需要进入下一个阶段。 
                long n = s & PARTIES_MASK;  // base of next state//保留子阶段数值。 
                int nextUnarrived = (int)n >>> PARTIES_SHIFT;//设置下一个阶段你的数值。 
                if (root != this)//如果当前phaser有根节点则调用父节点的根节点。 
                    return parent.doArrive(nextUnarrived == 0); 
                if (onAdvance(phase, nextUnarrived))//判断是否可以补进当前节点，实际上这个函数判断是就是nextUnarrived是否是0如果是0则不应该补进，如果不应该补进则返回真，这时候就将phaser终止。这里之所以还专门用一个onAdvance实际上是提供一个hook方法，为后续的实现提供方便。 
                    n |= TERMINATION_BIT; 
                else if (nextUnarrived == 0)//如果不应该终止，而且nextUnarrived又为0，则需要专门设置一个空状态。理由之前说过。 
                    n |= EMPTY; 
                else//当然更普遍的情况下还是只是设置一下下一个阶段未到达线程数量。 
                    n |= nextUnarrived; 
                n |= (long)((phase + 1) & MAX_PHASE) << PHASE_SHIFT;//构造一个新的state变量。并使用CAS的方式去设置他。 
                UNSAFE.compareAndSwapLong(this, stateOffset, s, n); 
                releaseWaiters(phase);//释放所有等的节点。 
            } 
            return phase;//返回phase数字 
        } 
    } 
} 

 此方法，与arriveAndAwaitAdvance()类似，但不阻塞，可能会有注销操作。

Phaser原理总结

如上图所示，phaser，支持phaser树(图中，简化为phaser链表模式，独子单传，后文也称phaser链)模式，分摊并发的压力。每个phaser结点的father指针指向前一个phaser结点，最前头的结点成为root结点，其father指针指向null， 每一个结点的root指针指向root结点，root结点的root指针指向它自己。

只有root结点的evenQ和oddQ分别指向两个QNode链表。每个QNode结点包含有phaser和thread等关键属性，其中，thread指向当前线程，phaser指向当前线程所注册的phaser。

这两个链表里的线程所对应的phase(阶段)要么都为奇数，要么都为偶数，相邻阶段的两组线程一定在不同的链表里面，这样在新老阶段更迭时，操作的是不同的链表，不会错乱。整个phaser链，共用这两个QNode链。

而且，线程也只会在root结点上被封装进QNode结点入栈(QNode链，入栈，FIFO，后文有时也叫入队，不影响功能)，每个phaser在初始时(被第一个线程注册时)以当前线程向其父phaser注册的方式与其父phaser建立联系，当此phaser上的线程都到达了，再以当前线程(最后一个抵达的线程)通知其父phaser，自己这边OK了，每个phaser都以同样的方式通知其父phaser，最后到达root phaser，开始唤醒睡在栈里(QNode链表)的线程，准备进入下一阶段。

phaser的关键属性state，是一个64位的long类型数据，划分为4个域：

• unarrived -- 还没有抵达屏障的参与者的个数 (bits 0-15)
• parties -- 需要等待的参与者的个数 (bits 16-31)
• phase -- 屏障所处的阶段 (bits 32-62)
• terminated -- 屏障的结束标记 (bit 63 / sign)

特别地，初始时，state的值为1，称为EMPTY，也即是unarrived = 1，其余都为0，这是一个标记，表示此phaser还没有线程来注册过，EMPTY = 1，而不是0，是因为0有特殊的含义，可能表示所有的线程都到达屏障了，此时unarrived也为0(而不是初始状态)，正常来讲，parties表示总的注册的线程的个数，大于等于unarrived，初始时，parties = 0，而unarrived = 1，更易于辨别。

总结

Phaser

1. Phaser适用于多阶段多任务的场景，每个阶段的任务都可以控制的很细;
2. Phaser内部使用state变量及队列实现整个逻辑;
3. state的高32位存储当前阶段phase，中16位存储当前阶段参与者(任务)的数量parties，低16位存储未完成参与者的数量unarrived;
4. 队列会根据当前阶段的奇偶性选择不同的队列;
5. 当不是最后一个参与者到达时，会自旋或者进入队列排队来等待所有参与者完成任务;
6. 当最后一个参与者完成任务时，会唤醒队列中的线程并进入下一阶段。

Phaser相对于CyclicBarrier和CountDownLatch的优势?

优势主要有两点：

Phaser可以完成多阶段，而一个CyclicBarrier 或者CountDownLatch一般只能控制一到两个阶段的任务;

Phaser每个阶段的任务数量可以控制，而一个CyclicBarrier 或者 CountDownLatch任务数量一旦确定不可修改。

多阶段协同，示意图如下：

参考

https://my.oschina.net/u/4329339/blog/3961164

PS：这里有一个技术交流群(扣扣群:1158819530)，方便大家一起交流，持续学习，共同进步，有需要的可以加一下。