并发3️⃣消息传递：保护性暂停、生产者消费者

1、同步模式：保护性暂停

Guarded Suspension

场景：一个线程等待另一个线程的执行结果。
实现：线程关联同一个 GuardedObject 对象，用于在线程之间传递结果。
- 单任务版：无限期等待、超时等待。
- 多任务版：基于单任务版 + 集合管理。
JDK 的 join()、Future，基于保护性暂停模式实现。

1.1、无限期等待

示例：线程 t1等待线程 t2 的执行结果。

result：线程执行结果。
getResult()：获取执行结果。
- synchronzied：调用 wait() 的前提是获得对象锁。
- while：避免虚假唤醒。
  - 真唤醒：线程 t2 执行结束后唤醒 t1，t1 获得执行结果。
  - 虚假唤醒：其它线程调用 notify()/notifyAll()，t1 仍未获得结果（即被唤醒时条件不满足）
- 唤醒后进入下一轮循环，null 则继续等待，非 null 则返回结果。

setResult()：设置执行结果，唤醒等待线程（t1）

public class GuardedObject {
    private Object result;

    public Object getResult() throws InterruptedException {
        synchronized (this) {
            while (result == null) {
                // 
                this.wait();
            }
            return result;
        }
    }

    public void setResult(Object result) {
        synchronized (this) {
            // 处理完成
            this.result = result;
            this.notifyAll();
        }
    }
}

测试

t1：调用 getResult() 尝试获取结果，在结果产生前处于等待（暂停）状态。

t2：业务处理需耗时 2 秒，处理结束后设置执行结果，设置结果后会唤醒等待线程。

GuardedObject go = new GuardedObject();

new Thread(() -> {
    try {
        LogUtils.debug("尝试获取结果");
        LogUtils.debug(go.getResult());
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }

}, "t1").start();

new Thread(() -> {
    // 模拟处理结果
    LogUtils.debug("处理结果中");
    SleepUtils.sleepSeconds(2);
    // 处理结束
    LogUtils.debug("处理结束");
    go.setResult("ok");
}, "t2").start();

结果：线程 t1 和 t2 同时开启，2 秒后 t2 执行结束并设置结果，t1 获取并打印结果。

1.2、超时等待

示例：在原有基础上，添加超时等待时间（mills）
Object getResult(long mills)

1.2.1、方案分析

方案：方法在原有基础上，将 wait() 改为 wait(mills)

分析：假设 t1 的超时等待时间为 5 秒（mills = 5）
- 假设 t1 在第 4 秒的时候被虚假唤醒，进入下一轮循环，t1 本来最多再等待 1 秒，而实际再会等待 5 秒。
- 即使 t1 没有被虚假唤醒，等待 5 秒后仍会进入下一轮循环再次等待，没有达到预期效果。
结论
- 循环体中的 wait(long) 的参数不能是 mills，应是 “剩余等待时间”。
- 剩余等待时间 = 超时等待时间 - 已等待时间（remain = mills - elapsed）
  - 超时等待时间：方法参数传入
  - 已等待时间：当前时间 - 初始时间（elapsed = now - start）

1.2.2、实现

getResult(long mills) 实现

相比 getResult() 的变化如下

初始时间：startTime
经历时间（已等待时间）：初始为 0

while

剩余等待时间：每轮循环开始时计算，remain = mills - elapsed。
if：若剩余等待时间非正数，则跳出循环不再等待。
wait(remainTime)：等待剩余时间。

更新已等待时间，now - start。

public Object getResult(long mills) throws InterruptedException {
    synchronized (this) {
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        long elapsedTime = 0;

        while (result == null) {
            long remainTime = mills - elapsedTime;
            if (remainTime <= 0) {
                break;
            }
            // 唤醒后更新经历时间，进入下一轮循环，null则继续等待，非null则返回结果
            wait(remainTime);

            elapsedTime = System.currentTimeMillis() - startTime;
        }
        return result;
    }
}

测试

t1：调用 getResult(long) 尝试获取结果，在结果产生前处于等待（暂停）状态，若超过指定时间则不再等待。

t2：业务处理需耗时 2 秒，处理结束后设置执行结果，设置结果后会唤醒等待线程。

GuardedObject1 go = new GuardedObject1();
long mills;

new Thread(() -> {
    try {
        LogUtils.debug("尝试获取结果");
        LogUtils.debug(go.getResult(mills));
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }

}, "t1").start();

new Thread(() -> {
    // 模拟处理结果
    LogUtils.debug("处理结果中");
    SleepUtils.sleepSeconds(2);
    // 处理结束
    LogUtils.debug("处理结束");
    go.setResult("ok");
}, "t2").start();

结果：线程 t1 和 t2 同时开启，2 秒后 t2 执行结束并设置结果。
- mills 为 3000：最多等待 3 秒，在第 2 秒时获得 t2 的执行结果。
- mills 为 1000：最多等待 1 秒，1 秒时未得到结果则不再等待。

1.3、源码：join()

join() 的实现，体现了保护性暂停模式

区别：保护性暂停是等待另一个线程的处理结果，join() 是等待另一个线程结束（死亡）。

base：即初始时间（startTime）
now：即经历时间（已等待时间，elapsedTime）
参数判断：小于 0 则不合法
- 等于 0：调用 wait(0) 无限期等待。
- 大于 0：进入 while 循环

while：循环条件为当前线程存活（alive）

delay：即剩余等待时间（remainTime）
if：若剩余等待时间非正数，则跳出循环不再等待。
wait(delay)：等待剩余时间。

更新已等待时间，now - base。

public final synchronized void join(long millis) throws InterruptedException {
    long base = System.currentTimeMillis();
    long now = 0;

    if (millis < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
    }
    if (millis == 0) {
        while (isAlive()) {
            wait(0);
        }
    } else {
        while (isAlive()) {
            long delay = millis - now;
            if (delay <= 0) {
                break;
            }
            wait(delay);
            now = System.currentTimeMillis() - base;
        }
    }
}
public final void join() throws InterruptedException {
    join(0);
}

1.4、多任务版等待

以上案例中，体现了一个线程等待另一个线程的执行结果。
多任务：n 个线程等待获得结果，有对应的 n 个线程处理并设置结果。

1.4.1、分析

涉及 n 对线程，需要有 n 个 GuardObject 负责传递结果。
如何使 n 个等待方线程与 n 个处理方线程一一对应？
- 为 GuardObject 设置唯一编号（id）。
- 等待方和处理方通过 id 关联同一个 GuardObject。
创建一个 Futures 类，用于管理多个 GuardObject 对象。
- 存储 GuardObject：使用 Map 集合，以便根据 id 区分、保证 id 唯一。
- 创建 GuardObject、生成 id
  - 为避免 id 重复，不能由等待/处理线程创建。
  - 为解耦，可通过工厂模式创建。
- 提供获取 guardObject、获取所有 id 的方法。

1.4.2、实现：Futures

注：在 GuardedObject 中添加 id 属性，以及 getter、构造方法。

存储 GuardObject：使用 Hashtable 保证线程安全。
生成 id：私有静态变量，每次递增 1，线程安全。
创建 GuardObject：存入集合后返回。
获取 GuardObject：从集合中取出并删除（线程只获取一次结果，GuardObject 无需考虑复用）。

获取所有 id：返回 Map 的 keySet。

public class Futures {
    private static final Map<Integer, GuardedObject> MAP = new Hashtable<>();
    private static int id = 0;

    private static synchronized int generateId() {
        return id++;
    }

    public static GuardedObject generateGuardObject() {
        GuardedObject guardedObject = new GuardedObject(generateId());
        MAP.put(guardedObject.getId(), guardedObject);
        return guardedObject;
    }

    public static GuardedObject getGuardObject(int id) {
        return MAP.remove(id);
    }

    public static Set<Integer> getIds() {
        return MAP.keySet();
    }
}

1.4.3、case：快递

线程模拟：定义 Resident 和 Courier 类，继承 Thread 类。

Resident：等待结果的线程（居民，等待快递）

Courier：执行并设置结果的线程（快递员，派送快递）

class Resident extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        GuardedObject go = Futures.generateGuardObject();
        try {
            // 尝试得到结果
            LogUtils.debug("尝试取快递" + go.getId());
            Object result = go.getResult();
            LogUtils.debug("\t\t取出快递" + result);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

class Courier extends Thread {
    private final int id;

    public Courier(int id) {
        this.id = id;
    }

    @Override
    public void run() {
        GuardedObject go = Futures.getGuardObject(id);
        LogUtils.debug("派件中" + go.getId());
        SleepUtils.sleepSeconds(2);
        LogUtils.debug("\t派件成功" + go.getId());
        go.setResult(" 编号" + id);
    }
}

测试：模拟 3 个居民，则对应有 3 个快递员

注：第一个 for 执行结束后再执行第二个 for，防止NPE。

Resident：创建 3 个线程，每个线程开启时都会创建一个 GuardedObject 并尝试获得结果。

Courier：获取 Futures 中集合的 KeySet，创建对应个数的线程，耗时 2 秒处理并设置结果。

int residentCount = 3;
for (int i = 0; i < residentCount; i++) {
    new Resident().start();
}

SleepUtils.sleepSeconds(1);
for (Integer id : Futures.getIds()) {
    new Courier(id).start();
}

结果
- 同时开启 3 个 Resident 线程进行等待，1 秒后对应 3 个 Courier 线程开始处理业务
- 2 秒后处理结束并设置结果，与此同时 Resident 获取结果并输出。

1.5、小结

保护性暂停：一个线程等待另一个线程的执行结果。

实现：线程关联同一个 GuardedObject 对象。
- 单任务版
  - 无限期等待：wait()
  - 超时等待：wait(remain)
    （remain = mills - elapsed，elapsed = now - start）
- 多任务版：基于单任务版 + 集合管理。
join() 原理：与保护性暂停的区别，在于 while 的判断条件是线程存活（alive）
保护性暂停是线程的一对一关系。
- 单任务版：单个一对一。
- 多线程版：多个一对一。
若要实现多对应关系，见生产者/消费者模式。

2、异步模式：生产者/消费者

相比保护性暂停模式，生产者/消费者模式支持多对应关系。
生产者/消费者中的消息队列用于线程间通信，消息框架（如 Rabbit MQ）用于进程间通信。
JDK 的阻塞队列，基于生产者/消费者模式实现。

2.1、模式结构

2.1.1、结构

生产者：产生数据并存储于缓冲区中，无需关注数据的处理细节。
消费者：从缓冲区中获取数据并处理。
缓冲区：通常以队列的数据结构实现（FIFO）

2.1.2、缓冲区

缓冲区作用

解耦：生产者和消费者不直接互相依赖，而是依赖于缓冲区。
异步处理：
- 保护性暂停：线程同步（阻塞）等待另一个线程处理结果并立即消费。
- 生产者消费者：生产者无需同步等待结果的处理，将数据存储于缓冲区后即可执行其它任务。
并发：基于异步处理的特性，支持多线程并发。
缓冲：允许数据的产生速度和处理速度不一致。
- 未处理的数据存储于缓冲区。
- 达到缓冲容量上限后停止生成数据。

2.2、实现

2.2.1、Message 类

表示线程产生和处理的数据。

class Message {
    private int id;
    private Object message;
	// 构造方法
    // toString()、getter
}

2.2.2、MessageQueue 类

LinkedList：消息队列（即缓冲区），基于 Java 双向链表实现。
capacity：队列容量。
get()：从缓冲区中取出数据。
- synchronzied：调用 wait() 的前提是获得对象锁。
- while：队列空时暂停消费，直到被 Producer 唤醒。
- removeFirst()：头删除，队头元素出队表示消费。
- notifyAll()：唤醒由于队满而暂停生产的 Producer。

put()：将数据存入缓冲区。

synchronzied：同上
while：队列满时暂停生产，直到被 Consumer 唤醒。
addLast()：尾插入，向队尾加入数据。

notifyAll()：唤醒由于队空而暂停消费的 Consumer。

public class MessageQueue {
    private final LinkedList<Message> queue;
    private final int capacity;

    public MessageQueue(int capacity) {
        queue = new LinkedList<>();
        this.capacity = capacity;
    }

    public Message get() throws InterruptedException {
        synchronized (queue) {
            while (queue.isEmpty()) {
                LogUtils.debug("队列为空，暂停消费");
                queue.wait();
            }
            Message message = queue.removeFirst();
            queue.notifyAll();
            return message;
        }
    }

    public void put(Message message) throws InterruptedException {
        synchronized (queue) {
            while (queue.size() == capacity) {
                LogUtils.debug("队列已满，暂停生产");
                queue.wait();
            }
            LogUtils.debug("存储信息" + message.getId());
            queue.addLast(message);
            queue.notifyAll();
        }
    }
}

2.2.4、测试

示例：缓冲区容量 = 3，生产者个数 = 5，消费者个数 = 2

producer：生产数据，存入缓冲区。

comsumer：每秒从缓冲区中取出一个数据进行处理。

int queueCapacity = 3;
int producerCount = 5;
int consumerCount = 2;

MessageQueue mq = new MessageQueue(queueCapacity);

for (int i = 0; i < producerCount; i++) {
    Message message = new Message(i, "message" + i);
    new Thread(() -> {
        try {
            mq.put(message);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }, "p" + i).start();
}

for (int i = 0; i < consumerCount; i++) {
    new Thread(() -> {
        while (true) {
            try {
                // 每秒处理一次
                SleepUtils.sleepSeconds(1);
                LogUtils.debug("处理结果：" + mq.get());
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }, "c" + i).start();
}

测试

注意各时间节点

线程同时启动
- 生产者线程：由于容量 3，有 3 个线程成功存储信息，2 个线程 wait() 等待。
- 消费者线程：sleep() 睡眠 1 秒。
第一次 sleep 结束（二者几乎同时发生，因此未必按顺序显示在控制台）
- 消费者线程：各从队列中取出一个数据进行处理（FIFO）
- 生产者线程：队列中空出两个位置，剩余 2 个生产者线程存入信息。
第二次 sleep 结束：各从队列中取出一个数据进行处理（FIFO），队列中剩 1 个元素。
第二次 sleep 结束
- c1：比 c2 抢到时间片，从队列中取出最后一个数据进行处理，队列一空。
- c2：暂停消费。
第三次 sleep 结束：c1 暂停消费。

posted @ 2022-03-27 20:27 Jaywee 阅读(74) 评论(0) 编辑收藏举报

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