Java併發(二十三)----同步模式之保護性暫停

1、定義

即 Guarded Suspension,用在一個線程等待另一個線程的執行結果

要點

  • 有一個結果需要從一個線程傳遞到另一個線程,讓他們關聯同一個 GuardedObject

  • 如果有結果不斷從一個線程到另一個線程那麼可以使用消息隊列

  • JDK 中,join 的實現、Future 的實現,採用的就是此模式

  • 因爲要等待另一方的結果,因此歸類到同步模式

2、實現

class GuardedObject {
​
    // 結果
    private Object response;
    private final Object lock = new Object();
​
    // 獲取結果
    public Object get() {
        synchronized (lock) {
            // 條件不滿足則等待
            while (response == null) {
                try {
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            return response;
        }
    }
​
    // 產生結果
    public void complete(Object response) {
        synchronized (lock) {
            // 條件滿足,通知等待線程
            this.response = response;
            lock.notifyAll();
        }
    }
}

3、應用

一個線程等待另一個線程的執行結果

public static void main(String[] args) {
    GuardedObject guardedObject = new GuardedObject();
    new Thread(() -> {
        try {
            // 子線程執行下載
            List<String> response = download(); // 模擬下載操作
            log.debug("download complete...");
            guardedObject.complete(response);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }).start();
​
    log.debug("waiting...");
    // 主線程阻塞等待
    Object response = guardedObject.get();
    log.debug("get response: [{}] lines", ((List<String>) response).size());
​
}

執行結果

08:42:18.568 [main] c.TestGuardedObject - waiting...
08:42:23.312 [Thread-0] c.TestGuardedObject - download complete...
08:42:23.312 [main] c.TestGuardedObject - get response: [3] lines

4、帶超時版 GuardedObject

如果要控制超時時間呢

class GuardedObjectV2 {
​
    private Object response;
    private final Object lock = new Object();
​
    public Object get(long millis) {
        synchronized (lock) {
            // 1) 記錄最初時間
            long begin = System.currentTimeMillis();
            // 2) 已經經歷的時間
            long timePassed = 0;
            while (response == null) {
                // 4) 假設 millis 是 1000,結果在 400 時喚醒了,那麼還有 600 要等
                long waitTime = millis - timePassed;
                log.debug("waitTime: {}", waitTime);
                if (waitTime <= 0) {
                    log.debug("break...");
                    break;
                }
                try {
                    lock.wait(waitTime);  // 注意這裏並不是 mills,防止虛假喚醒
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                // 3) 如果提前被喚醒,這時已經經歷的時間假設爲 400
                timePassed = System.currentTimeMillis() - begin;
                log.debug("timePassed: {}, object is null {}", 
                          timePassed, response == null);
            }
            return response;
        }
    }
​
    public void complete(Object response) {
        synchronized (lock) {
            // 條件滿足,通知等待線程
            this.response = response;
            log.debug("notify...");
            lock.notifyAll();
        }
    }
}

測試,沒有超時

public static void main(String[] args) {
    GuardedObjectV2 v2 = new GuardedObjectV2();
    new Thread(() -> {
        sleep(1); // 睡眠1秒
        v2.complete(null);
        sleep(1);
        v2.complete(Arrays.asList("a", "b", "c"));
    }).start();
​
    Object response = v2.get(2500);
    if (response != null) {
        log.debug("get response: [{}] lines", ((List<String>) response).size());
    } else {
        log.debug("can't get response");
    }
}

輸出

08:49:39.917 [main] c.GuardedObjectV2 - waitTime: 2500
08:49:40.917 [Thread-0] c.GuardedObjectV2 - notify...
08:49:40.917 [main] c.GuardedObjectV2 - timePassed: 1003, object is null true
08:49:40.917 [main] c.GuardedObjectV2 - waitTime: 1497
08:49:41.918 [Thread-0] c.GuardedObjectV2 - notify...
08:49:41.918 [main] c.GuardedObjectV2 - timePassed: 2004, object is null false
08:49:41.918 [main] c.TestGuardedObjectV2 - get response: [3] lines

測試,超時

// 等待時間不足
List<String> lines = v2.get(1500);

輸出

08:47:54.963 [main] c.GuardedObjectV2 - waitTime: 1500
08:47:55.963 [Thread-0] c.GuardedObjectV2 - notify...
08:47:55.963 [main] c.GuardedObjectV2 - timePassed: 1002, object is null true
08:47:55.963 [main] c.GuardedObjectV2 - waitTime: 498
08:47:56.461 [main] c.GuardedObjectV2 - timePassed: 1500, object is null true
08:47:56.461 [main] c.GuardedObjectV2 - waitTime: 0
08:47:56.461 [main] c.GuardedObjectV2 - break...
08:47:56.461 [main] c.TestGuardedObjectV2 - can't get response
08:47:56.963 [Thread-0] c.GuardedObjectV2 - notify...

5、多任務版 GuardedObject

圖中 Futures 就好比居民樓一層的信箱(每個信箱有房間編號),左側的 t0,t2,t4 就好比等待郵件的居民,右側的 t1,t3,t5 就好比郵遞員

如果需要在多個類之間使用 GuardedObject 對象,作爲參數傳遞不是很方便,因此設計一個用來解耦的中間類,這樣不僅能夠解耦【結果等待者】和【結果生產者】,還能夠同時支持多個任務的管理

新增 id 用來標識 Guarded Object

class GuardedObject {
​
    // 標識 Guarded Object
    private int id;
​
    public GuardedObject(int id) {
        this.id = id;
    }
​
    public int getId() {
        return id;
    }
​
    // 結果
    private Object response;
​
    // 獲取結果
    // timeout 表示要等待多久 2000
    public Object get(long timeout) {
        synchronized (this) {
            // 開始時間 15:00:00
            long begin = System.currentTimeMillis();
            // 經歷的時間
            long passedTime = 0;
            while (response == null) {
                // 這一輪循環應該等待的時間
                long waitTime = timeout - passedTime;
                // 經歷的時間超過了最大等待時間時,退出循環
                if (timeout - passedTime <= 0) {
                    break;
                }
                try {
                    this.wait(waitTime); // 虛假喚醒 15:00:01
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                // 求得經歷時間
                passedTime = System.currentTimeMillis() - begin; // 15:00:02  1s
            }
            return response;
        }
    }
​
    // 產生結果
    public void complete(Object response) {
        synchronized (this) {
            // 給結果成員變量賦值
            this.response = response;
            this.notifyAll();
        }
    }
}

中間解耦類

class Mailboxes {
    private static Map<Integer, GuardedObject> boxes = new Hashtable<>();
​
    private static int id = 1;
    // 產生唯一 id
    private static synchronized int generateId() {
        return id++;
    }
​
    public static GuardedObject getGuardedObject(int id) {
        return boxes.remove(id);  // 注意這裏的remove,防止堆溢出
    }
​
    public static GuardedObject createGuardedObject() {
        GuardedObject go = new GuardedObject(generateId());
        boxes.put(go.getId(), go);
        return go;
    }
​
    public static Set<Integer> getIds() {
        return boxes.keySet();
    }
}

業務相關類

class People extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        // 收信
        GuardedObject guardedObject = Mailboxes.createGuardedObject();
        log.debug("開始收信 id:{}", guardedObject.getId());
        Object mail = guardedObject.get(5000);
        log.debug("收到信 id:{}, 內容:{}", guardedObject.getId(), mail);
    }
}
class Postman extends Thread {
    private int id;
    private String mail;
​
    public Postman(int id, String mail) {
        this.id = id;
        this.mail = mail;
    }
​
    @Override
    public void run() {
        GuardedObject guardedObject = Mailboxes.getGuardedObject(id);
        log.debug("送信 id:{}, 內容:{}", id, mail);
        guardedObject.complete(mail);
    }
}

測試

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        new People().start();
    }
    Sleeper.sleep(1);// 睡眠1秒
    for (Integer id : Mailboxes.getIds()) {
        new Postman(id, "內容" + id).start();
    }
}

某次運行結果

10:35:05.689 c.People [Thread-1] - 開始收信 id:3
10:35:05.689 c.People [Thread-2] - 開始收信 id:1
10:35:05.689 c.People [Thread-0] - 開始收信 id:2
10:35:06.688 c.Postman [Thread-4] - 送信 id:2, 內容:內容2
10:35:06.688 c.Postman [Thread-5] - 送信 id:1, 內容:內容1
10:35:06.688 c.People [Thread-0] - 收到信 id:2, 內容:內容2
10:35:06.688 c.People [Thread-2] - 收到信 id:1, 內容:內容1
10:35:06.688 c.Postman [Thread-3] - 送信 id:3, 內容:內容3
10:35:06.689 c.People [Thread-1] - 收到信 id:3, 內容:內容3

 

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