Day850.GuardedSuspension模式 -Java 并发编程实战

Posted 2023-01-11 阿昌喜欢吃黄桃

GuardedSuspension模式

Hi，我是阿昌，今天学习记录的是关于GuardedSuspension模式的内容。

小灰工作中遇到一个问题，开发了一个 Web 项目：Web 版的文件浏览器，通过它用户可以在浏览器里查看服务器上的目录和文件。

这个项目依赖运维部门提供的文件浏览服务，而这个文件浏览服务只支持消息队列（MQ）方式接入。

消息队列在互联网大厂中用的非常多，主要用作流量削峰和系统解耦。

在这种接入方式中，发送消息和消费结果这两个操作之间是异步的，可以参考下面的示意图来理解。

在小灰的这个 Web 项目中，用户通过浏览器发过来一个请求，会被转换成一个异步消息发送给 MQ，等 MQ 返回结果后，再将这个结果返回至浏览器。

小灰同学的问题是：给 MQ 发送消息的线程是处理 Web 请求的线程 T1，但消费 MQ 结果的线程并不是线程 T1，那线程 T1 如何等待 MQ 的返回结果呢？

为了便于理解这个场景，将其代码化了，示例代码如下。

class Message
  String id;
  String content;

//该方法可以发送消息
void send(Message msg)
  //省略相关代码

//MQ消息返回后会调用该方法
//该方法的执行线程不同于
//发送消息的线程
void onMessage(Message msg)
  //省略相关代码

//处理浏览器发来的请求
Respond handleWebReq()
  //创建一消息
  Message msg1 = new 
    Message("1","...");
  //发送消息
  send(msg1);
  //如何等待MQ返回的消息呢？
  String result = ...;

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一、Guarded Suspension 模式

上面小灰遇到的问题，在现实世界里比比皆是，只是一不小心就忽略了。

比如，项目组团建要外出聚餐，提前预订了一个包间，然后兴冲冲地奔过去，到那儿后大堂经理看了一眼包间，发现服务员正在收拾，就会告诉：“您预订的包间服务员正在收拾，请您稍等片刻。”过了一会，大堂经理发现包间已经收拾完了，于是马上带去包间就餐。

等待包间收拾完的这个过程和小灰遇到的等待 MQ 返回消息本质上是一样的，都是等待一个条件满足：就餐需要等待包间收拾完，小灰的程序里要等待 MQ 返回消息。

那来看看现实世界里是如何解决这类问题的呢？现实世界里大堂经理这个角色很重要，是否等待，完全是由他来协调的。通过类比，相信也一定有思路了：程序里，也需要这样一个大堂经理。

的确是这样，那程序世界里的大堂经理该如何设计呢？其实设计方案前人早就搞定了，而且还将其总结成了一个设计模式：Guarded Suspension。

所谓 Guarded Suspension，直译过来就是“保护性地暂停”。

那下面我们就来看看，Guarded Suspension 模式是如何模拟大堂经理进行保护性地暂停的。

下图就是 Guarded Suspension 模式的结构图，非常简单，一个对象 GuardedObject，内部有一个成员变量——受保护的对象，以及两个成员方法——get(Predicate p)和onChanged(T obj)方法。

其中，对象 GuardedObject 就是前面提到的大堂经理，受保护对象就是餐厅里面的包间；
受保护对象的 get() 方法对应的是我们的就餐，就餐的前提条件是包间已经收拾好了，参数 p 就是用来描述这个前提条件的；
受保护对象的 onChanged() 方法对应的是服务员把包间收拾好了，通过 onChanged() 方法可以 fire 一个事件，而这个事件往往能改变前提条件 p 的计算结果。

下图中，左侧的绿色线程就是需要就餐的顾客，而右侧的蓝色线程就是收拾包间的服务员。

GuardedObject 的内部实现非常简单，是管程的一个经典用法，可以参考下面的示例代码，核心是：

• get() 方法通过条件变量的 await() 方法实现等待

• onChanged() 方法通过条件变量的 signalAll() 方法实现唤醒功能。

class GuardedObject<T>
  //受保护的对象
  T obj;
  final Lock lock = 
    new ReentrantLock();
  final Condition done =
    lock.newCondition();
  final int timeout=1;
  //获取受保护对象  
  T get(Predicate<T> p) 
    lock.lock();
    try 
      //MESA管程推荐写法
      while(!p.test(obj))
        done.await(timeout, 
          TimeUnit.SECONDS);
      
    catch(InterruptedException e)
      throw new RuntimeException(e);
    finally
      lock.unlock();
    
    //返回非空的受保护对象
    return obj;
  
  //事件通知方法
  void onChanged(T obj) 
    lock.lock();
    try 
      this.obj = obj;
      done.signalAll();
     finally 
      lock.unlock();
    
  

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二、扩展 Guarded Suspension 模式

Guarded Suspension 模式里 GuardedObject 有两个核心方法：

• 一个是 get() 方法
• 一个是 onChanged() 方法

很显然，在处理 Web 请求的方法 handleWebReq() 中，可以调用 GuardedObject 的 get() 方法来实现等待；
在 MQ 消息的消费方法 onMessage() 中，可以调用 GuardedObject 的 onChanged() 方法来实现唤醒。

//处理浏览器发来的请求
Respond handleWebReq()
  //创建一消息
  Message msg1 = new 
    Message("1","...");
  //发送消息
  send(msg1);
  //利用GuardedObject实现等待
  GuardedObject<Message> go
    =new GuardObjec<>();
  Message r = go.get(
    t->t != null);

void onMessage(Message msg)
  //如何找到匹配的go？
  GuardedObject<Message> go=???
  go.onChanged(msg);

但是在实现的时候会遇到一个问题，handleWebReq() 里面创建了 GuardedObject 对象的实例 go，并调用其 get() 方等待结果，那在 onMessage() 方法中，如何才能够找到匹配的 GuardedObject 对象呢？

这个过程类似服务员告诉大堂经理某某包间已经收拾好了，大堂经理如何根据包间找到就餐的人。

现实世界里，大堂经理的头脑中，有包间和就餐人之间的关系图，所以服务员说完之后大堂经理立刻就能把就餐人找出来。

可以参考大堂经理识别就餐人的办法，来扩展一下 Guarded Suspension 模式，从而使它能够很方便地解决小灰同学的问题。

在小灰的程序中，每个发送到 MQ 的消息，都有一个唯一性的属性 id，所以可以维护一个 MQ 消息 id 和 GuardedObject 对象实例的关系，这个关系可以类比大堂经理大脑里维护的包间和就餐人的关系。有了这个关系，来看看具体如何实现。

下面的示例代码是扩展 Guarded Suspension 模式的实现，扩展后的 GuardedObject 内部维护了一个 Map，其 Key 是 MQ 消息 id，而 Value 是 GuardedObject 对象实例，同时增加了静态方法 create() 和 fireEvent()；

create() 方法用来创建一个 GuardedObject 对象实例，并根据 key 值将其加入到 Map 中，而 fireEvent() 方法则是模拟的大堂经理根据包间找就餐人的逻辑。

class GuardedObject<T>
  //受保护的对象
  T obj;
  final Lock lock = 
    new ReentrantLock();
  final Condition done =
    lock.newCondition();
  final int timeout=2;
  //保存所有GuardedObject
  final static Map<Object, GuardedObject> 
  gos=new ConcurrentHashMap<>();
  //静态方法创建GuardedObject
  static <K> GuardedObject 
      create(K key)
    GuardedObject go=new GuardedObject();
    gos.put(key, go);
    return go;
  
  static <K, T> void 
      fireEvent(K key, T obj)
    GuardedObject go=gos.remove(key);
    if (go != null)
      go.onChanged(obj);
    
  
  //获取受保护对象  
  T get(Predicate<T> p) 
    lock.lock();
    try 
      //MESA管程推荐写法
      while(!p.test(obj))
        done.await(timeout, 
          TimeUnit.SECONDS);
      
    catch(InterruptedException e)
      throw new RuntimeException(e);
    finally
      lock.unlock();
    
    //返回非空的受保护对象
    return obj;
  
  //事件通知方法
  void onChanged(T obj) 
    lock.lock();
    try 
      this.obj = obj;
      done.signalAll();
     finally 
      lock.unlock();
    
  

这样利用扩展后的 GuardedObject 来解决小灰同学的问题就很简单了，具体代码如下所示。

//处理浏览器发来的请求
Respond handleWebReq()
  int id=序号生成器.get();
  //创建一消息
  Message msg1 = new 
    Message(id,"...");
  //创建GuardedObject实例
  GuardedObject<Message> go=
    GuardedObject.create(id);  
  //发送消息
  send(msg1);
  //等待MQ消息
  Message r = go.get(
    t->t != null);  

void onMessage(Message msg)
  //唤醒等待的线程
  GuardedObject.fireEvent(
    msg.id, msg);

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三、总结

Guarded Suspension 模式本质上是一种等待唤醒机制的实现，只不过 Guarded Suspension 模式将其规范化了。

规范化的好处是你无需重头思考如何实现，也无需担心实现程序的可理解性问题，同时也能避免一不小心写出个 Bug 来。

但 Guarded Suspension 模式在解决实际问题的时候，往往还是需要扩展的，扩展的方式有很多，对 GuardedObject 的功能进行了增强，Dubbo 中 DefaultFuture 这个类也是采用的这种方式，可以对比着来看，相信对 DefaultFuture 的实现原理会理解得更透彻。当然，也可以创建新的类来实现对 Guarded Suspension 模式的扩展。

Guarded Suspension 模式也常被称作 Guarded Wait 模式、Spin Lock 模式（因为使用了 while 循环去等待），这些名字都很形象，不过它还有一个更形象的非官方名字：多线程版本的 if。

单线程场景中，if 语句是不需要等待的，因为在只有一个线程的条件下，如果这个线程被阻塞，那就没有其他活动线程了，这意味着 if 判断条件的结果也不会发生变化了。但是多线程场景中，等待就变得有意义了，这种场景下，if 判断条件的结果是可能发生变化的。

所以，用“多线程版本的 if”来理解这个模式会更简单。

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用 done.await() 还要加锁，太啰嗦，还不如直接使用 sleep() 方法，下面是他的实现，你觉得他的写法正确吗？

//获取受保护对象  
T get(Predicate<T> p) 
  try 
    while(!p.test(obj))
      TimeUnit.SECONDS
        .sleep(timeout);
    
  catch(InterruptedException e)
    throw new RuntimeException(e);
  
  //返回非空的受保护对象
  return obj;

//事件通知方法
void onChanged(T obj) 
  this.obj = obj;

sleep 无法被唤醒，只能时间到后自己恢复运行，当真正的条件满足了，时间未到，接着睡眠，无性能可言

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