【面向对象第二单元作业】弄拙成巧的电梯优化——低并发不一定是坏事
【面向对象第二单元作业】弄拙成巧的电梯优化——低并发不一定是坏事
一、序言
经过三周的奋斗，传说中十分折磨人的电梯的三次作业也终于结束了。不过可能由于对java编程的逐渐熟悉。这个单元的作业的成绩还略高于上一个单元。本单元的作业个人感觉有以下两个难点，线程安全与电梯策略。
二、调度器？可有可无（类调度算法的另一种实现）& 锁
1.调度算法 & 调度算法中的锁
在第一次作业开始时，进行了一次上机。上机的代码采取了调度器的模式来分配任务，进而完成对于不同任务分配给不同消费者这一行为，让大家初体验了一把调度器的作用。但是，前两次作业里本质上并没有不同的任务。这种情况下我选取了电梯竞争的集中式调度，上梯策略为同向出发地就近贪心、反向出发地向远贪心 （类似于LOOK算法）。当电梯将目标纳入计划捎带队列中后则在总侯乘队列中删除它。在这样的单电梯策略下，若是采取高并发竞争，则会导致电梯较长时间的装载率不高。
下面举个例子
伪输入
1-from-1-to-20
2-from-2-to-18
3-from-3-to-17
对于高并发的情况，对于我的集中调度策略，则可能会将 3个需求分别纳入三台电梯的等待队列，造成不必要的浪费。
流程可能为
1号电梯拿到总需求锁 -> 用同向就近的需求填充等待队列（即仅在每单次填充时取得锁）：即1号需求 -> 释放锁
2号电梯拿到总需求锁 -> 用同向就近的需求填充等待队列：即2号需求 -> 释放锁
3号电梯拿到总需求锁 -> 用同向就近的需求填充等待队列：即3号需求 -> 释放锁
于是我直接在电梯去刷新等待队列时将整个等待队列上锁，这样每个电梯都会得到一个连续的需求计划表。尽量避免了电梯赛跑的情况发生.
流程为
1-3号中一台电梯拿到总需求锁 -> 用同向就近的需求填满等待队列：即1，2，3号需求 -> 释放锁
再说回调度器，调度器的目标就是为了两个目的
- 同类任务分给同一消费者
- 消费者任务压力和消费者效率的比例相当
而在第二次作业中，我的电梯通过低并发的竞争，实现了类似的效果。
在第三次作业中，由于偷懒，不愿意去修改自己熬过两次强测的单电梯内容，选择了添加调度器来将不同类型的需求分发给不同的。优先分给效率最高的C类电梯然后是B类，接着是A类，并且根据比例做适当调整。由于并没有采用换乘策略，所以对于随机数据能有还算不错的性能，但对于针对性的数据，会出现A类有难，BC围观的场面。
2.线程交互
线程交互还是采取了生产者消费者模型进行的，通过共享容器来进行数据的交互。同时，为了防止电梯线程对于总队列的竞争过于激烈，输入或调度被阻塞。提升了调度器和输入器的优先级，降低被阻塞的概率。
3.锁的选择
由于采取了修改总等待队列的策略，为了保证线程安全，给等待队列上锁是不得不做的无奈之举。而且前文提到这个锁还带来一些附加的收益。这里就不再重复了。而对于自己构建的线程安全类，我采取了java内置的读写锁，来尽可能提升并发性。
4.优化方向
对于单电梯设计，在竞争策略可以修改改为区域贪心，即目的地尽量相近，让电梯在某一区域内运行。对分段式多电梯可以添加换乘策略，以应对特殊数据。
三、功能设计&性能设计
1.从UML类图看架构设计与可扩展性
总体逻辑为Main构建共厂ElevatorFactory然后通过工厂类的方法来构建并运行总电梯运行调度器(Scheduler)、单电梯运行管理线程（BasicElevatorCommandCenter）；生成并将电梯属性信息存储类（Elevator）传给相应的单电梯运行管理线程，生成并分配电梯结束信号（EndSign）。然后由单电梯运行调度器（BasicElevatorCommandCenter）来创建内部具体运行逻辑（ElevatorPattern）并和该具体运行逻辑共享电梯状态与属性。同时 Main 构建并运行InputList ，构造并传入总调度器输入结束信号的EndSign。
由于采取了工厂模式所以架构清晰且较强的拓展性。
2.从UML协作图分析功能设计与性能设计
由Main线程创建并运行三类工作线程，并且由Main来承担新构建电梯的功能。通过共享内存来实现数据共享，总体耦合性较低。结构较为简单。所以功能性较好，而测试也应征了这一点。而由于单个电梯对于Waiting List上锁时间较长并发性较差，整体呈现出低并发。而对于电梯调度性能几乎没有影响。由于低并发，程序的稳定性较高，鲁棒性较好。
四、自身程序BUG
1.线程BUG
本单元作业中，由于前文提到的我程序的低并发性，只有第一次作业出现了线程唤醒的BUG，导致了中测有一个测试点未能正常停止导致了RTLE。除此之外没有其余相关BUG。
2.正确性BUG
在第二次作业中，由于更新队列时删除出错，导致了乘客丢失的问题。除此之外，在初次搭建过程中，经产会出现电梯来回横跳的现象。通常可以通过黑箱测试找到最小BUG触发条件，配合白盒分析来找到错误代码。
3.互测BUG
尽管在课下写了随机数据生成器，但是由于没有写正确性判断的自动化工具，最后也没有找到别人程序的BUG。
五、感想与心得
1.关于线程设计
在初学的时候，总是希望在线程设计上渴望高并发，但是高并发并不一定能得到最优解。尤其是在竞争策略中，若是为了降低单电梯之间的耦合，则需减少电梯间的通信。而高并发则可能每个电梯都不能的到局部最优解，低并发达到了类似于调度器的线性需求分配功能。
2.关于层次化设计
个人感觉本次作业的层次化设计较好，电梯间几乎没有通信，由Input、scheduler、singleElevator、Main四个模块分别承担了输入、调度、运行、增加电梯的功能。与此同时，通过工厂类来生成并分发scheduler、singleElevator中所需的共享容器实现层次化设计，增加了内聚性。
