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多线程设计模式解读1—Guarded Suspension(保护性暂挂模式)

大家好,今天我们给大家介绍一个多线程设计模式的一个概念,我们平时业务代码写得比较多,因此,如果刚上手写比较复杂多线程代码,很有可能会埋下一些坑,而这些坑一时之间都是很难发现,需要经过严格测试,甚至上线运行之后才会在生产环境显现出来。大家应该听过面向对象编程的23种设计模式吧,它就是在特定场景下提供针对某一问题的可复用解决方案,而多线程设计模式是在多线程编程领域的设计模式。今天给大家介绍其中一个设计模式:Guarded Suspension(保护性暂挂模式)。

Guarded Suspension主要是用来解决线程协作的一些问题,其核心思想是某个线程执行特定的操作前需要满足一定条件,条件未满足则暂挂线程,处于WAITING状态,直到条件满足该线程继续执行。说到这里,大家是不是想到了wait/notify了,是的,线程的挂起和唤醒功能可以直接使用wait/notify直接实现,但除非是这方面的熟手,不然总会因为忽略了一些技术细节而犯错,而且这些重复代码散落在系统各处,往往增加了维护成本,提高了出错的概率。大家现在还能快速回忆起wait/notify的一些值得注意的编程细节吗?

比如:

最著名的是线程过早唤醒问题,当一个线程由于调用了notifyAll而醒来时,并不意味着它的保护条件是成立的,其中有各种原因,如wait方法可以“假装”返回;从线程被唤醒到wait重新获取锁的时间段内,其他线程已获取了锁并修改了保护条件中的状态;由于一个条件队列与多个保护条件相关,假设A在条件队列等待保护条件a,当B线程因为同一条件队列相关的另一个保护条件b变成真,就会调用notifyAll或者notify,唤醒了A线程,但该线程相关的保护条件a并没有成真。

因此,每次线程从wait中唤醒时,都必须再次测试保护条件是否成立,我们通常在一个循环中调用wait,相关代码的标准形式如下:

synchronized(lock){

      while(!conditionPredicate){

        lock.wait();

      }

}

另外在实现的过程中,还有信号丢失、内存可见性、锁泄漏等各种技术细节需要我们把控,而Guarded Suspension 帮助我们把这些技术细节封装起来,统一处理,增强了代码的可复用性和可维护性。

现在来看下面这段简单的代码,描述的主要是点外卖的一个逻辑,外卖没送到之前,我们一直处于等待状态,等外卖送到,我们收到通知,就可以开吃了,我们总是避免不了去实现wait/notify一类的代码:

public class TakeOut {

  private boolean foodArrived = false;

  //开吃

  public void eat() throws InterruptedException {
    synchronized(this){
      while(!foodArrived){
        wait();
      }
    }
    System.out.println("wowowo.");
  }

  //外卖小哥
  public void foodGuy(){
    synchronized(this){
      System.out.println("food arrived");
      this.foodArrived = true;
      notifyAll();
    }
  }


  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    TakeOut takeOut = new TakeOut();


    Thread t = new Thread(new Runnable() {

      @Override
      public void run() {
        try {
          takeOut.eat();
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        }
      }

    });
    t.start();


    final Timer timer = new Timer();

    // 延迟50ms调用helper.stateChanged方法
    timer.schedule(new TimerTask() {
      @Override
      public void run() {
        takeOut.foodGuy();
        timer.cancel();
      }

    }, 500, 100);


  }

}

重点关注eat()和foodGuy(),在方法内部实现了wait/notify,而通常这容易犯错,有什么办法能将这些技术细节封装起来,而我们平时只要实现一些业务逻辑就可以了呢?Guarded Suspension给我们提供了一个思路,它指定了几个角色,让这些角色各司其职,而这些角色中,有些是需要开发者实现接口,有些则是可复用的代码。我们再来浏览下面这段代码,这里,开发者不需要实现关于wait/notify的技术细节,所有这些都封装在了Blocker中。

public class TakeOut2 {


  private static class Helper {
    private volatile boolean foodArrived = false;
    private final Predicate foodArrivedNow = new Predicate() {

      @Override
      public boolean evaluate() {
        return foodArrived;
      }

    };

    private final Blocker blocker = new ConditionVarBlocker();

    public  void eat() {
      //await之后的目标操作
      GuardedAction<String> ga = new GuardedAction<String>   (foodArrivedNow) {

        @Override
        public String call() throws Exception {
          System.out.println("wowowo.");
          return "wowowo";
        }

      };
      try {
        blocker.callWithGuard(ga);
      } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }

    public  void foodArrived() {
      try {
        blocker.signalAfter(new Callable<Boolean>() {
          //状态更新操作
          @Override
          public Boolean call() throws Exception {
            foodArrived = true;
            System.out.println("food arrived");
            return Boolean.TRUE;
          }

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

    }
  }

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    final Helper helper = new Helper();


    Thread t = new Thread(new Runnable() {

      @Override
      public void run() {
          helper.eat();
      }
    });
    t.start();

    final Timer timer = new Timer();

    // 延迟50ms调用helper.stateChanged方法
    timer.schedule(new TimerTask() {
      @Override
      public void run() {
        helper.foodArrived();
        timer.cancel();
      }

    }, 500, 100);

  }

}

这里应用开发者需要实现三个角色:

GuardedObject: 这里就是指内部类Helper,包含了受保护方法eat()和改变GuardedObject实例状态的方法foodArrived()。

ConcretePredicate:实现具体的保护条件,这里是

private final Predicate foodArrivedNow = new Predicate() {

      @Override
      public boolean evaluate() {
        return foodArrived;
      }

    };

ConcreteGuardedAction:具体的目标动作及关联的保护条件

GuardedAction<String> ga = new GuardedAction<String>   (foodArrivedNow) {

        @Override
        public String call() throws Exception {
          System.out.println("wowowo.");
          return "wowowo";
        }

 };

我们看到,有关wait/notify的代码都被封装在了Broker中,而其中的Blocker接口,可以我们自己实现,也可以使用已有实现,这里的实现是ConditionVarBlocker类,它是基于Condition类和ReentrantLock类实现的, 上面的例子用到了callWithGuard和signalAfter两方法,分别接收由应用开发者实现的GuardedAction和stateOperation,前者用于执行带保护条件的目标动作,后者用于更改状态动作的执行。

public class ConditionVarBlocker implements Blocker {
    private final Lock lock;

    private final Condition condition;

    private final boolean allowAccess2Lock;

    public ConditionVarBlocker(Lock lock) {
        this(lock, true);
    }

    private ConditionVarBlocker(Lock lock, boolean allowAccess2Lock) {
        this.lock = lock;
        this.allowAccess2Lock = allowAccess2Lock;
        this.condition = lock.newCondition();
    }

    public ConditionVarBlocker() {
        this(false);
    }

    public ConditionVarBlocker(boolean allowAccess2Lock) {
        this(new ReentrantLock(), allowAccess2Lock);
    }

    public Lock getLock() {
        if (allowAccess2Lock) {
            return this.lock;
        }
        throw new IllegalStateException("Access to the lock disallowed.");
    }

    public <V> V callWithGuard(GuardedAction<V> guardedAction) throws Exception {
        lock.lockInterruptibly();
        V result;
        try {
            final Predicate guard = guardedAction.guard;
            while (!guard.evaluate()) {
                Debug.info("waiting...");
                condition.await();
            }
            result = guardedAction.call();
            return result;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void signalAfter(Callable<Boolean> stateOperation) throws Exception {
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            if (stateOperation.call()) {
                condition.signal();
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }

    }

    public void broadcastAfter(Callable<Boolean> stateOperation) throws Exception {
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            if (stateOperation.call()) {
                condition.signalAll();
            }
        } finally {
            lock.unlock();
        }

    }

    public void signal() throws InterruptedException {
        lock.lockInterruptibly();
        try {
            condition.signal();

        } finally {
            lock.unlock();
        }

    }
}

Broker接口定义如下:

public interface Blocker {

    /**
     * 在保护条件成立时执行目标动作,否则阻塞当前线程,直到保护条件成立。
     * @param guardedAction 带保护条件的目标动作
     * @return
     * @throws Exception
     */
    <V> V callWithGuard(GuardedAction<V> guardedAction) throws Exception;

    /**
     * 执行stateOperation所指定的操作后,决定是否唤醒本Blocker
     * 所暂挂的所有线程中的一个线程。
     * 
     * @param stateOperation
     *          更改状态的操作,其call方法的返回值为true时,该方法才会唤醒被暂挂的线程
     */
    void signalAfter(Callable<Boolean> stateOperation) throws Exception;

    void signal() throws InterruptedException;

    /**
     * 执行stateOperation所指定的操作后,决定是否唤醒本Blocker
     * 所暂挂的所有线程。
     * 
     * @param stateOperation
     *          更改状态的操作,其call方法的返回值为true时,该方法才会唤醒被暂挂的线程
     */
    void broadcastAfter(Callable<Boolean> stateOperation) throws Exception;
}

这里注意,如果你想使用指定的Lock实例,可以在ConditionVarBlocker传入一个,而不要在外部使用,避免不必要的嵌套同步。

你可以尝试着自己实现一个Broker,这似乎是一劳永逸的事情。这里补充一个小知识点,就是Condition与wait/notify的区别。每个对象都可以作为一个锁,而每个对象也同样可以作为一个条件队列,它使得一组线程能通过某种方式等待特定的条件成真,就像一个条件对列和一个内置锁(synchronized)关联一样,每一个Condition都和一个Lock关联,它提供了比内置条件队列更丰富的功能,如条件队列可以是中断或不可中断的,基于时限的等待。

另外,一个内置锁只能有一个相关联的条件队列,多个线程可能在同一个条件队列上等待不同的保护条件,并且在最常见的加锁模式下公开条件队列对象,这使得我们notifyAll时无法满足所有等待线程为同一类型的需求,而对于Lock,可以有任意数量的Condition对象,这样就可以将保护条件分开放到多个等待线程集中,更容易满足单次通知的要求。在Condition对象中,与wait,notify,notifyAll方法对应的分别是await,signal,signalAll。

参考资料:

《java多线程编程实战指南—设计模式篇》

《图解多线程设计模式》

《java并发编程实战》

本文分享自微信公众号 - java达人(drjava)

原文出处及转载信息见文内详细说明,如有侵权,请联系 yunjia_community@tencent.com 删除。

原始发表时间:2018-08-05

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