【详解】并发程序的等待方式

引言：

　　有时候我们执行一个操作，需要一个前提条件，只有在条件满足的情况下，才能继续执行。在单线程程序中，如果某个状态变量不满足条件，则基本上可以直接返回。但是，在并发程序中，基于状态的条件可能会由于其他线程的操作而改变。而且存在这种需要，即某个操作一定要完成，如果当前条件不满足，没关系，我可以等，等到条件满足的时候再执行。今天，我们就来聊一聊等待的几种方式。

  • 忙等待 / 自旋等待。
  • 让权等待 / 轮询与休眠
  • 条件队列

情景条件

　　我们要实现一个有界缓存，其中用不同的等待方式处理前提条件失败的问题。在每种实现中都扩展了BaseBoundedBuffer，这个类中实现了一个基于数组的循环缓存，其中各个缓存状态变量（buf、head、tail和count）均由缓存的内置锁来保护。它还提供了同步的doPut和doTake方法，并在子类中通过这些方法来实现put和take操作，底层的状态将对子类隐藏。

此段代码来自《Java Concurrency in Practice》

public abstract class BaseBoundedBuffer<V> {
    private final V[] buf;   //缓冲数组
    private int tail;        //缓冲数据尾部索引
    private int head;        //头部索引
    private int count;       //存储的数据量

    public BaseBoundedBuffer(int capacity) {
        this.buf = (V[]) new Object[capacity];
    }

    protected synchronized final void doPut(V v) {
        buf[tail] = v;
        if (++tail == buf.length)
            tail = 0;
        ++count;
    }

    protected synchronized final V doTake() {
        V v = buf[head];
        buf[head] = null;
        if (++head == buf.length)
            head = 0;
        --count;
        return v;
    }
    
    public synchronized final boolean isFull() {
        return count == buf.length;
    }
    
    public synchronized final boolean isEmpty() {
        return count == 0;
    }
}

一、忙等待

反复检查条件是否为真，直到条件达到，继而完成后续任务。

优点：响应性好，只要条件符合，马上就能做出响应。

缺点：这样做，虽然在逻辑上实现了功能要求，但是在性能上却可能消耗过多的CPU时间。

我们来看看，忙等待的实现方式：

public class BusyWaitBoundedBuffer<V> extends BaseBoundedBuffer<V> {

    public BusyWaitBoundedBuffer(int size) {
        super(size);
    }
    
    public void put(V v) throws InterruptedException {
        while(true) {
            synchronized (this) {
                if(!isFull()) {
                    doPut(v);
                    return;
                }
            }
        }
    }
    
    public V take() throws InterruptedException {
        while(true) {
            synchronized (this) {
                if(!isEmpty())
                    return doTake();
            }
        }
    }
}

这里的两个方法在访问缓存时都采用"先检查，再运行"的逻辑策略，非线程安全，因为条件可能在"检查之后，运行之前"的中间时刻，被其他线程修改，以至于，在运行的时候，前提条件已经不满足了，故需要对put和take两个方法都进行同步，共用同一个锁以确保实现对缓冲状态的独占访问，即某一时刻只能有一个线程可以访问操作缓冲数组。也就是说，在put方法执行的一次尝试中，take方法不能被调用，不能改变缓冲数组状态。

还有一点，值得注意的是，while循环并不在同步块内，而是同步块在while循环内，也就是每执行一次条件检查，如果不满足，需要释放掉锁。不然另一个方法就拿不到锁，也就不能改变状态，条件就永远不能发生改变，这个方法就变成了死等待。

“尚未解决的疑惑”：线程等待锁的时候是否会被JVM挂起，调出CPU？如果是这样的话，那么上下文切换的开销也会很大，因为每检查一次条件，需要进出CPU两次。

二、让权等待 / 轮询与休眠

类似忙等待，但是在每次检查条件后，若不合符条件，将进入休眠状态，避免消耗过多的CPU时间。而不是马上进入下一次检查。

优点：避免消耗过多的CPU时间

缺点：响应性差

实现代码：

public class SleepyBoundedBuffer<V> extends BaseBoundedBuffer<V> {
    private static final long SLEEP_GRANULARITY = 3000L;

    public SleepyBoundedBuffer(int size) {
        super(size);
    }

    public void put(V v) throws InterruptedException {
        while (true) {
            synchronized (this) {
                if (!isFull()) {
                    doPut(v);
                    return;
                }
            }
            Thread.sleep(SLEEP_GRANULARITY); //休眠固定时间
        }
    }
    
    public V take() throws InterruptedException {
        while(true) {
            synchronized (this) {
                if(!isEmpty()) {
                    return doTake();
                }
            }
            Thread.sleep(SLEEP_GRANULARITY);
        }
    }

}

需要强调的是，sleep方法不会释放当前线程拥有的锁，所以不能在同步块内调用，如果在同步块内调用的话，虽然不会马上进行下一次条件检查，但是在这期间，锁没有被释放，其他线程无法获取到这个对象的锁，故无法改变状态，此操作也会变成死等待。依据如下（monitor指的就是锁）。

避免消耗过多的CPU时间是怎么回事？

　　这里，我们需要先了解一下线程调度机制，和时间片轮转算法。

我们知道，线程并非至始至终占用CPU，而是每运行一段时间便退出CPU，让其他线程继续执行。来回切换，以实现程序的并发执行。

线程调度机制如图所示：（此图来自汤小丹《计算机操作系统》）

再来说一说，时间片轮转算法，看到这个，我想当然的以为，时间片的分配类似于内存空间的分配，也就是说，给你分配多少空间，那这个空间就归属你了，用多用少看你自己情况，多出来的空间其他人不能用。但是，认真看了轮转调度算法后，就明白了，原来时间片并不是那么回事，而是相当于一个定时器。即，假如时间片划分为30ms，那么从每个线程进入CPU，就开始倒计时，如果时间片用完，即倒计时为0，或者线程任务执行完毕，就调出线程。调入新线程后，定时器重新从30ms开始倒计时。

基于时间片轮转的解释

　　对于忙等待来说，如果条件长时间没有达到，则可能耗尽其本次分配的时间片，甚至在等待过程中会消耗多个时间片。在这段时间内，此线程占据着此CPU，却只是等待，不做计算，其他线程不能获得此CPU，计算资源就算是浪费了。

　　而对于让步等待来说，如果此次检查条件没有达到的话，会休眠一段时间，这时候，会退出CPU，让出当前时间片多余的部分，而且休眠的这段时间内也不会参与调度。

为什么说，让步等待响应性差？

 　　因为，可能出现这种情况，即线程刚进入休眠或者进入休眠状态没多久，条件就成立了，但是线程已进入休眠，只能等到休眠结束，才能继续执行。也就不能够及时响应了。

如图所示：（此图来自《Java Concurrency in Practice》,L、U不太清楚是何意思）

三、条件队列

“条件队列”这个名字来源于：它使得一组线程（称之为等待线程集合）能够通过某种方式来等待特点的条件变成真。传统队列的元素是一个个数据，而与之不同的是，条件队列中的元素是一个个正在等待相关条件的线程。

优点：响应性高，且不会消耗额外的CPU时间

实现代码：

public class BoundedBuffer<V> extends BaseBoundedBuffer<V>{
    public BoundedBuffer(int size) {
        super(size);
    }
    
    public synchronized void put(V v) throws InterruptedException {
        while(isFull())
            wait();
        doPut(v);
        notifyAll();
    }
    
    public synchronized V take() throws InterruptedException {
        while(isEmpty())
            wait();
        V v = doTake();
        notifyAll();
        return v;
    }
}

注：wait和notify/notifyAll等方法必须在拥有对应锁的情况下，才能执行。所以wait和notify/notifyAll方法必须在同步块中，并且同步块的锁和wait等方法的调用必须来源于同一个对象。

问题一：在条件不符合的情况下，wait方法将被调用，此线程将被阻塞挂起，移出CPU。但是，问题就出现了，如果执行到wait，程序就不再执行了，也就跳不出同步块，那么其他线程怎么获取到锁，这不就又出现了前面提到的死等待了吗？

答案是，wait方法会释放掉锁。等到条件达到，被唤醒的时候会重新尝试获取锁。

问题二：为何需要while循环，难道wait方法是一个空函数，那这样做，不就跟忙等待一样了吗，反复执行一个空函数，然后条件达到跳出循环？

wait方法并不是一个空函数，它是一个本地方法，确实实现了休眠的功能。一般情况下，确实调用一次就够了，但是线程可能在条件达到之前被唤醒，比如某个其他线程调用了notifyAll方法，唤醒所有等待条件的线程，但是此刻线程的条件可能尚未满足。需要再次判断条件是否成立，如果未成立，则继续wait()。

问题三：为何需要notifyAll而不是notify？

因为，在这个情景下，如果使用notify可能出现类似"信号丢失"的情况，考虑一下这种情况：队列已满，这时候一个线程调用了take()方法取出一个数据。就有空闲空间可以存储数据了，如果调用notify方法，只能唤醒一个线程，此时队列中有多个等待执行pu()t方法的线程，但是却唤醒了一个等待执行take()方法的线程。导致的问题是：缓冲空间明明有空闲，而我还在等待这个条件。

2018-09-11 19:50:12 修改：上面划线那段话有问题，在这个情景下，有只有两个条件，非此即彼，故队列已满的情况下，条件队列里只有等到执行put方法的线程。notify方法唤醒一个线程，只会是执行put方法的线程。故语义上没有问题。

可能出现的错误案例应该是这样的：

条件队列里有两个线程，线程A等待条件谓词PA，线程B等待条件谓词PB。条件谓词PA和PB相互独立。现在由于线程C的操作，使得PB变为真，并且线程C执行一个notify操作。JVM将唤醒条件队列中的一个线程，如果唤醒了线程A，那么条件没有达到，线程A调用wait方法继续等待。这时，就出现这种情况了，即PB已经为真，按道理线程B应该被唤醒，而线程B没有收到这个信号，而继续等待一个已经发生过的信号。相当于“丢失了”信号。

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