06. 用“等待-通知”机制优化循环等待

在破坏占用且等待条件的时候,如果转出账本和转入账本不满足同时在文件架上这个条件,就用死循环的方式来循环等待


如果apply()操作耗时非常短,而且并发冲突量页不大时,这个方案还挺不错,因为这种场景下,循环上几次或者几十次就能一次性获取转出账户和转入账户了。但是如果 apply() 操作耗时长,或者并发冲突量大的时候,循环等待这种方案就不适用了,因为在这种场景下,可能要循环上万次才能获取到锁 太消耗 CPU 了

其实在这种场景下,最好的方案应该是:如果线程要求的条件(转出账本和转入账本同在文件架上)不满足,则线程阻塞自己,进入等待状态;当线程要求的条件(转出账本和转入账本同在文件架上)满足后,通知等待的线程重新执行。其中,使用线程阻塞的方式就能避免循环等待消耗CPU 的问题。

完美的就医流程

就医流程基本上是这样:

1.患者先去挂号,然后到就诊门口分诊,等待叫号.

2.当叫到自己的号时,患者就可以找大夫就诊了.

3.就诊过程中,大夫可能会让患者去做检查,同时叫下一位患者;

4.当患者做完检查后,拿检查报告重新分诊,等待叫号.

5.当大夫再次叫到自己的号时,患者再去找大夫就诊.

综合一下,就可以得出一个完整的等待 - 通知机制:线程首先获取互斥锁,当线程要求的条件不满足时,释放互斥锁,进入等待状态;当要求的条件满足时,通知等待的线程 重新获取互斥锁知等待的线程,重新获取互斥锁。

用 synchronized 实现等待 - 通知机制

再java语言里,等待-通知机制可以有多种实现方式,比如java语言内置的synchronized配合wait().notify(),notifyAll()这三个方法就能够轻松实现.

如何用synchronized实现互斥锁,你应该已经很熟悉了.再下面的图里,左边有一个等待队列,同一时刻,只允许一个线程进入 synchronized 保护的临界区(这个临界区可以看作大夫的诊室),当有一个线程进入临界区后,其他线程就只能进入图中左边的等待队列里等待(相当于患者分诊等待)。这个等待队列和互斥锁是一对一的关系,每个互斥锁都有自己独立的等待队列。

在并发程序中,当一个线程进入临界区后,由于某些条件不满足,需要进入等待状态,Java 对象的 wait() 方法就能够满足这种需求。如上图所示,当调用 wait() 方法后,当前线程就会被阻塞,并且进入到右边的等待队列中,这个等待队列也是互斥锁的等待队列。 线程在进入等待队列的同时,会释放持有的互斥锁,线程释放锁后,其他线程就有机会获得锁,并进入临界区了。

那线程要求的条件满足时,该怎么通知这个等待的线程呢?很简单,就是 Java 对象的 notify()和 notifyAll() 方法。我在下面这个图里为你大致描述了这个过程,当条件满足时调用 notify(),会通知等待队列(互斥锁的等待队列)中的线程,告诉它条件曾经满足过

为什么说是曾经满足过呢?因为notify() 只能保证在通知时间点,条件是满足的。而被通知线程的执行时间点和通知的时间点基本上不会重合,所以当线程执行的时候,很可能条件已经不满足了(保不齐有其他线程插队)。这一点你需要格外注意。

除此之外,还有一个需要注意的点,被通知的线程要想重新执行,仍然需要获取到互斥锁(因为曾经获取的锁在调用 wait() 时已经释放了)

上面我们一直强调 wait()、notify()、notifyAll() 方法操作的等待队列是互斥锁的等待队列,所以如果 synchronized 锁定的是 this,那么对应的一定是 this.wait()、this.notify()、this.notifyAll();如果 synchronized 锁定的是 target,那么对应的一定是 target.wait()、target.notify()、target.notifyAll() 。而且 wait()、notify()、notifyAll() 这三个方法能够被调用的前提是已经获取了相应的互斥锁,所以我们会发现 wait()、notify()、notifyAll() 都是在synchronized{}内部被调用的。如果在 synchronized{}外部调用,或者锁定的 this,而用target.wait() 调用的话,JVM 会抛出一个运行时异常:java.lang.IllegalMonitorStateException。

等待 - 通知机制的基本原理搞清楚后,我们就来看看它如何解决一次性申请转出账户和转入账户的问题吧。在这个等待 - 通知机制中,我们需要考虑以下四个要素。

1. 互斥锁:上一篇文章我们提到 Allocator 需要是单例的,所以我们可以用 this 作为互斥锁

2. 线程要求的条件:转出账户和转入账户都没有被分配过。

3. 何时等待:线程要求的条件不满足就等待。

4. 何时通知:当有线程释放账户时就通知


用while(条件不满足){wait();}这种范式可以解决上面提到的条件曾经满足过这个问题。因为当 wait() 返回时,有可能条件已经发生变化了,曾经条件满足,但是现在已经不满足了,所以要重新检验条件是否满足。范式,意味着是经典做法,所以没有特殊理由不要尝试换个写法。后面在介绍“管程”的时候,会详细介绍这个经典做法的前世今生

尽量使用 notifyAll()

notify() 是会随机地通知等待队列中的一个线程,而 notifyAll() 会通知等待队列中的所有线程。

从感觉上来讲,应该是 notify() 更好一些,因为即便通知所有线程,也只有一个线程能够进入临界区。实际上使用 notify() 也很有风险,它的风

险在于可能导致某些线程永远不会被通知到

假设我们有资源 A、B、C、D,线程 1 申请到了 AB,线程 2 申请到了 CD,此时线程 3 申请AB,会进入等待队列(AB 分配给线程 1,线程 3 要求的条件不满足),线程 4 申请 CD 也会进入等待队列。我们再假设之后线程 1 归还了资源 AB,如果使用 notify() 来通知等待队列中的线程,有可能被通知的是线程 4,但线程 4 申请的是 CD,所以此时线程 4 还是会继续等待,而真正该唤醒的线程 3 就再也没有机会被唤醒了

总结

等待 - 通知机制是一种非常普遍的线程间协作的方式。工作中经常看到有同学使用轮询的方式来等待某个状态,其实很多情况下都可以用今天我们介绍的等待 - 通知机制来优化。

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