第二单元总结：基于synchronize锁的简单多线程设计

单元统一的多线程设计策略

类的设计

电梯

• 每部电梯为一个线程。
• 电梯从调度器接收原子指令，知晓自己的状态（内部的人/服务的人、运行方向、所在楼层）
• 原子指令包括且仅包括：
  • 向上走一层 / 向下走一层
  • 让哪些人进电梯
  • 让哪些人出电梯
• 而电梯不可见其他电梯的状态、不可见调度队列的内容
• 相当于电梯只是一个输出器和状态储存器，大大解耦

输入器

• 输入器为一个线程。
• 输入器直接将输入的指令加入调度队列（在第三次作业时可能会将指令进行拆分后再一一加入）
• 输入器与调度器、电梯均无关，不直接传送数据

调度队列

• 调度队列使用单例模式
• 支持push_back操作
• 支持按某些策略取出元素
• 保证线程安全

调度器

• 调度器只是一个保存方法的类，直接由电梯调用申请一个原子指令返回，自己不开线程。
• 调度器使用单例模式。
• 调度器可知晓各个电梯的状态、可访问调度队列，向申请指令的电梯返回一个原子指令。

线程间逻辑UML图

图中带[T]标记的都是线程，其他的都是被调用方法的普通类。

主线程（Main.main）只负责 构造并start一个ReQuestInput线程和若干个Elevator线程，本身无业务功能，在图中忽略。

注意到，是电梯主动请求Handler分配一个原子请求，执行完再次主动请求；而不是Handler主动向电梯发布任务！

因为电梯是线程，本身存在时序上的先后关系和竞争关系，相互独立；而调度器不是线程，也不知道电梯是否运行完毕。

（笔者认为在非synchronized / Lock的地方使用wait() / notify()是没有必要的且危险的，因为这一对操作的本质意义是对于条件变量工作的）

故选择让电梯执行完一个原子操作后主动管调度器“要”请求（就是普通的函数调用，不涉及多线程通信和同步）

或者说，没有必要使用多线程的时候，就不使用多线程！

多线程通信与控制策略

在尽量少用多线程的设计思想下（也直接导致了线程的共享数据大大减少），被多个线程共享的数据只有两个：

• RequestQueue：被输入线程和电梯线程共享（在三次作业中均存在）。其作用是保存全部的输入请求。
  • 由于调度器本身不是线程，所以只要在插入（输入器）和访问（电梯调用的调度器方法）中保证线程安全即可
  • 对于某些标记，访问和更改器方法标记为synchronized
  • 对于容器，使用Java自带的线程安全类。
    • 由需求决定该“请求队列”并不是一个FIFO的队列，而应该是一个支持遍历的ArrayList
    • 使用concurent.CopyOnWriteArrayList保证容器的线程安全（能用Java保证好的线程安全支持，就不要自己造轮子）
• ServingMap：被电梯间共享（在第三次作业——多电梯中存在）。
  • 其功能是保存各个请求已经被哪个电梯服务（或者没有电梯服务），防止电梯间重复承担请求。
  • 于是该对象被多部电梯之间共享，标记为static对象，要保证线程安全。
  • 在使用ServingMap时（全部操作，包括get()方法、遍历KeySet等）全部使用synchronized关键字，对方法或对象加锁。

在尽量少用多线程的设计思想下（也直接导致了线程间同步控制大大减少），不存在使用wait()和notify()的场景！

总结来说，笔者坚持少用多线程，从而导致使用多线程特性极少，安全性和鲁棒性显著提升，在测试的时候基本上没有不可复现的多线程bug。

第一次作业——傻瓜调度的单电梯

类图

 

可以看到，主线程Main只是构造和开启了电梯线程和输入线程而已，并没有其他的操作。在三次作业中均是这样。

输入线程将输入请求加入请求队列，调度器从请求队列中访问请求，构造原子操作发送给电梯。

代码度量分析

可以看到，除了构造和发送原子指令的方法，其他的方法复杂度都极低，而nextAtomicTask()方法也没有飙红字，说明本设计还是很简洁的！

从类复杂度也可以看出，整个设计复杂度低，十分合理。

bug分析与总结

在中测中，笔者曾经把评测机搞坏过一次，那可以说是“第零个版本”，出现了一些乱写的错误，

比如当时对线程的理解太过sb，没有选择让一个线程没事干的时候进行等待，而是当它完事之后自动死去，再开启新的线程重新run的设计。

众所周知线程的用法是让必须在多条线同时进行的工作并发，而不停的“断线”再“接线”显然不是线程的正确用法——还不如一直保证“线不断”，只不过在中间Thread.sleep()掉。

创建和销毁线程都是危险的操作，必须做到程序员可控，不应该将其放在while等循环中，否则一旦程序有bug，将不断地创建新线程，吃掉大量资源的同时造成麻烦。

 

在使用了新的设计模式之后，笔者在公测和互测中均未被发现bug。

由于第一次作业太过简单，在互测中，未发现其他同学的bug。

第二次作业——优化调度方案的单电梯

算法

由于第一次作业的电梯（输出器和状态保存器）和调度器分离的良好设计，在第二次作业中只需改变调度器之中的nextAtomicTask()方法即可了！

调度策略如下：

• 如果能捎带（nowFloor == xRequest.fromFloor），则上电梯，无论是不是同方向
• 针对某个请求，有电梯目标楼层定义：
  • 如果不在电梯内则去from层接他
  • 如果在电梯内则去to层送他
• 电梯运行方向由整个队列的目标楼层决定，取max和min操作可以得到最高目标楼层maxTarget和最低目标楼层minTarget
• 如果当前的运行方向向上，则定义电梯的本原子操作目标楼层Target为maxTarget
• 如果当前的运行方向向下，则定义电梯的本原子操作目标楼层Target为minTarget
• 由Target和当前楼层nowFloor的相对位置决定运行方向

可以看到，由于要知晓电梯内部的人（某人在不在、有哪些人在），还要知晓当前的全部请求情况，调度器的复杂度将会显著上升。

类图

可以看到，此次作业的架构和上一次完全一致，只在电梯内部增加了一个保存“哪些人在电梯内”的列表，

还增加了一个主请求对象（类似指导书中的主请求），其他的完全不变，也体现了本架构对新功能的支持性良好。

代码度量分析

（大部分复杂度均为1的方法被省去）

毫无疑问的，取原子操作的nextAtomicTask()方法复杂度最高。仔细研究代码后发现该方法的主要任务可以分成三块，而笔者为了写起来方便（懒），将它们写到了一个方法内。

其实将某些功能移出是更优的写法，因为显然“通过最高目标和最低目标确定目标楼层，从而确定运行上下方向”的任务应该是一个独立的逻辑模块。而事实上笔者在第三次作业中意识到了这个问题，将其移出了。

而电梯的doOneAtomic()方法中存在大量if语句，导致复杂度稍高。研究代码后发现部分if其实可以简化，而笔者为了保存代码的可读性没有进行简化，这里红字的判断有待商榷。

可以看出，调度器类由于要经常遍历电梯内列表、调度队列列表，存在大量的分支和循环操作，所以操作复杂度稍高。

bug分析与总结

由于第一次作业中不存在显然的bug，而本次作业又直接继承自第一次作业，那么定位和排查可能的bug的范围就很小了，便于测试和迭代，这也是保证可拓展架构的附加好处之一。

也由此笔者在修改第一次作业到第二次时思路更加清晰：只需管新增和修改的函数即可，其他的全部当作一个黑箱，不修改也不关心。这进一步加强了其正确性，以至于笔者在写程序时没有碰到过完整的bug。

笔者在公测和互测中均未被发现bug。在互测中，也未发现其他同学的bug。

第三次作业——优化调度的多电梯

设计

总体来说进一步沿用第二次作业中的架构，对优化算法进行了一点小的调整。

电梯的构造函数变成传入参数（由于名称、可达列表、速度等属性并不相同）。

值得一提的是，为了保证电梯内的修改尽量少，笔者使用了离散化实际楼层的小技巧：

• 设立实际楼层->虚拟楼层的映射，在给电梯发送信息时使用虚拟楼层号
• 设立虚拟楼层->实际楼层的映射，在电梯输出、sleep()和调度器判断条件时使用实际楼层号

这样，电梯本身的代码几乎没有改变，只有在输出“ARRIVE-”和sleep()时需要得到真实的实际楼层号。这样在第二次作业中的“从1楼到3楼”可能在第三次作业中实际上是“从1楼到7楼”，

但是电梯内部的改动极少，而且以前代码的正确性会被继续保证（当作黑箱）。

调度器方面，增加了一个HashMap<Request, ElevatorName>来维护哪些请求被哪个电梯服务，从而解决电梯的冲突问题，也巧妙地规避了多线程的其他问题，只需对HashMap对象加锁即可。

而上述一切的保障都来自于调度队列的修改——本设计下，任何一条请求都应该是能被一部电梯独立完成的，所以我们需要将不能被一部电梯完成的请求合理拆分成两个请求。

这个部分在Queue.pushBackRequest()中进行，下文将会进一步阐述。

类图

 

可以看到，架构设计基本不变，只是现在为了便于管理，电梯成为了RequestHandler的内部对象，有着聚合的关系。

代码度量分析

此次调度器逻辑变多，为了更好的优化从而导致了代码复杂度的增加，是可以预见的。

在电梯的doOneAtomic()方法中，部分输出模块可以单独变成一个方法，从而减少每个方法的循环和分支复杂度。

RequestQueue中的peekFront()方法同样因为更好的优化从而导致了代码复杂度的增加。

 

真正值得修改的是RequestQueue中的pushBackRequest(Request)方法。

本方法由于设计上需要判断请求的一部电梯可达性、拆分不一部可达的请求，故该方法的逻辑变得复杂了许多。
但是仍然写丑了，如果让我进行修改将是这样的：

• 判断一部可达性，单独变成一个Boolean函数，从本方法中提取出去（判断任务如果没有附带着顺便更新值的功能，尽量单独摘出）；
• 求中间换乘楼层，单独变成一个int函数，从本方法中提取出去（求得一个值，而对当前环境不产生改变影响，尽量单独摘出）。
• 这样pushBackRequest方法就回归了其本质：
  一部电梯可达吗？可达的话，插入请求！
  不可达的话，求得中间楼层，构造插入两个请求！

从类复杂度上看，由于电梯内增加了虚拟楼层<->实际楼层转换，而且输出时需要一层实际楼层、一层实际楼层地输出，增加了循环逻辑，导致其复杂度上升。

而奇怪的时RequestHandler的复杂度居然较第二次降低了，不是很理解。

bug分析与总结

本次对优化算法的改动较大，而且增加了离散化的虚拟楼层，故发生bug的几率大大增加。

我的测试策略如下：

• 首先针对离散化后虚拟楼层和双向映射、以及换乘方案转换的代码进行测试：
  总共只有[-3,0) (0,20]共23层，于是我构建了共计23*22 = 506个测试用例，
  一开始在没有测评机时手动剔除相同类型的数据（如16、17、18、19、20层可以视作等价），再喂给程序进行逐一测试，保证楼层相关的正确性。
• 其次是对多电梯协作和电梯容量等进行测试，这里主要是人工识别易错点，之后手动构建针对性数据进行测试，
  包括乘客是否可能分身、容量限制是否成功等。
• 之后有了评测机后进行全面的自动测试。
• 由于架构基本没有变化，只增加了一个由调度器维护的HashMap，故线程安全性非常好保障（归功于继承自安全的架构和新设计的简单性），不需进行测试。

笔者在公测和互测中均未被发现bug。在互测中，也未发现其他同学的bug。

总结

• 尽量在一开始就选择相对好的设计架构，不但可以让拓展性得到保障，还可以在拓展时的思维复杂度大大降低，同时出bug的可能大大降低。
• 尽量让方法回归其本质功能，不该放进去的不放进去。一些特定模式的功能也应该拎出来。
• 尽量少用多线程，不得不用时才使用。慎重使用没有必要的sync / Lock搭配的wait() / notify()，它们是用来实现条件变量的相关操作的，不是让你真的去等待和唤醒的。
• 不要经常重复创建新线程和让线程早死掉，即使使用join()方法也不好。线程的生命周期应该被程序员牢牢把握。