感谢trytocatch投递本文。
前言
阅读本文前,需要读者对happens-before比较熟悉,了解非阻塞同步的一些基本概念。本文主要为happens-before法则的灵活运用,和一些解决问题的小技巧,分析问题的方式。
背景介绍
原始需求为:本人当时在编写一个正则替换工具,里面会动态地显示所有的匹配结果(包括替换预览),文本、正则表达式、参数,这些数据的其中一项发生了变化,结果就应该被更新,为了提供友好的交互体验,数据变化时,应该是发起一个异步请求,由另一个独立的线程来完成运算,完成后通知UI更新结果。由于是动态显示,所以提交会非常频繁。
需求描述
需要这样一个工具类,允许用户频繁地提交数据(本文之后以“submit”表示该操作)和更新结果(本文之后以“update”表示该操作),submit时,如果当前有进行中的运算,则应该取消,使用新参数执行新的运算;update时,如果当前没有进行中的运算(处于阻塞状态),并且当前结果不是最新的,则唤醒该线程,使用当前的新数据,执行新的运算。此处之所以分为submit和update两个方法,是为了支持手动更新,即点击更新按钮时,才更新结果。
此外,出于练手的原因,也出于编写一个功能全面,更实用的工具的目的,我还加入了一些额外的需求:
1、引入多线程场景,update和submit均可由多个线程同时发起,该工具类应设计成线程安全的。
2、允许延迟执行运算,如果延时内执行submit,仅重新计算延时。如果运算不方便取消,在短时间频繁submit的场景下,延时会是一个很好的应对办法。
3、允许设置一个最大延迟时间,作为延迟开启运算的补充。当长时间频繁submit时,会形成这样的局面,一直未进入运算环节,新结果计算不出来,上一次计算结果却是很早以前的。如果需要显示一个较新但不是最新的结果,最大延迟时间将会很有用。
4、提供主动取消方法,主动取消正在进行的运算。
5、update时,允许等待运算完成,同时也可设置超时时间。当主动取消、超时、完成了当前或更(更加的意思)新的数据对应的运算时,结束等待。
需求交待完了,有兴趣有精力的读者,可以先试着思考下怎么实现。
问题分析
该工具应该维护一个状态字段,这样才能在发起某个操作时,根据所处的状态作出正确的动作,如:如果当前不处于停止状态(或者主动取消状态,原因见下文),执行update就不需要唤醒运算线程。简单分析可知,至少应该有这样几种状态:
1、停止状态:当前没有运算任务,线程进入阻塞状态,主动取消和运算完成后,进入该状态
2、延迟状态:设置了延迟开启运算时,进入运算前,处于该状态
3、运算状态:正在执行运算
4、主动取消状态:当发起主动取消时,进入该状态
5、新任务状态:当时有新的运算任务时,进入该状态,然后重新进入运算状态
延迟
再来看一下延迟,如果延迟500毫秒,就每次sleep(500),那么期间再submit怎么办?将它唤醒然后重新sleep(500)吗?显然不行,成本太大了。
我有一个小技巧:将500分成多个合适的等份,使用一个计数器,每次sleep一个等份,计数器加1,如果发起submit,仅把计数器置0即可,虽然看起来线程的状态切换变多了,但应对频繁重置时,它更稳定。虽然时间上会上下波动一个等份,但此处并不需要多么精确。
现在还面临这样一个问题,如何知道当前是处于延迟状态并计数器置0?取出状态值进行判断,然后置0,这方法显然不行,因为置0的时候,可能状态已经变了,所以你无法知道该操作是否生效了。
我想到的办法是,再引入一个延迟重置状态。如果处于该状态,则下一次计数器加1时,将计数器重置,状态变更是可以知道成功与否的。
状态变更
有些状态的变更是有条件的,比如说当前处于取消状态,就不能把它转为运算状态,运算状态只能由新任务状态、延迟状态(延迟完成后执行运算)或延迟重置状态转入。这种场景正好跟CAS一致,所以,使用一个AtomicInteger来表示状态。
分析下各状态之间的转换,可以得出下面的状态变更图:
蓝色的a(bcd)|(e)f线路为停止状态下,发起一次update,运算完重新回到停止的过程,开启延迟时是bcd,否则是e。
红色的线j表示超过了最大延迟时间,退出延迟,进入运算状态(也可以是d)。
绿色的线ghi(包括a)表示:如果发起了submit或update,状态应该怎么改变。如果处于延迟重置、新任务则不需要进行任何操作;如果处于延迟状态,则转为延迟重置即可;如果处于运算状态,则可能使用了旧参数,应该转为新任务;如果为主动取消或停止状态,并且是调用update方法,则转为新任务,并且可能处于阻塞状态,应该唤醒该线程。
黑色的线l表示,可在任意状态下发起主动取消,进入该状态。然后通知等待线程后,转入停止状态,对应紫色的k,如果在停止状态下发起主动取消,则仅转为主动取消状态,不会通知等待线程。所以当线程阻塞时,可能处于停止状态或者主动取消状态。
顺序问题
上面已经分析到,当submit时,应该把延迟转为延迟重置、或运算转为新任务,这两个尝试的顺序是不是也有讲究呢?
是的,因为正常执行流程a(bcd)|(e)f中,运算状态在延迟状态之后,假如先尝试运算转为新任务,可能此时为延迟状态,故失败,再尝试延迟转为延迟重置时,状态在这期间从刚才的延迟转为了运算,故两次尝试都失败了,本应该重置延迟的,却什么也没干,这是错误的。而将两次尝试顺序调换一下,只要状态为延迟或运算,那么两次状态转换尝试中,一定有一次会成功。
之后的代码中还有多处类似的顺序细节。
解决方案
下面给出完整的代码,除去等待运算完成那部分,其它地方均为wait-free级别的实现。
calculateResult是具体执行运算的方法;上文中的submit对应代码里的updateParametersVersion方法,上文中的update对应剩余几个update方法。
updateAndWait方法中,使用了上一篇中讲到的BoundlessCyclicBarrier,其维护的版本号就是参数的版本号ParametersVersion。
002 |
* @author trytocatch@163.com |
005 |
public abstract class LatestResultsProvider { |
006 |
/** update return value */ |
007 |
public static final int UPDATE_FAILED = - 1 ; |
008 |
public static final int UPDATE_NO_NEED_TO_UPDATE = 0 ; |
009 |
public static final int UPDATE_SUCCESS = 1 ; |
010 |
public static final int UPDATE_COMMITTED = 2 ; |
011 |
/** update return value */ |
014 |
private static final int WS_OFF = 0 ; |
015 |
private static final int WS_NEW_TASK = 1 ; |
016 |
private static final int WS_WORKING = 2 ; |
017 |
private static final int WS_DELAYING = 3 ; |
018 |
private static final int WS_DELAY_RESET = 4 ; |
019 |
private static final int WS_CANCELED = 5 ; |
021 |
private final AtomicInteger workState; |
023 |
private int sleepPeriod = 30 ; |
025 |
private final AtomicInteger parametersVersion; |
026 |
private volatile int updateDelay; |
027 |
private volatile int delayUpperLimit; |
029 |
private final BoundlessCyclicBarrier barrier; |
030 |
private Thread workThread; |
034 |
* @param updateDelay unit: millisecond |
035 |
* @param delayUpperLimit limit the sum of the delay, disabled |
036 |
* while delayUpperLimit<0, unit: millisecond |
038 |
public LatestResultsProvider( int updateDelay, int delayUpperLimit) { |
040 |
this .updateDelay = 0 ; |
042 |
this .updateDelay = updateDelay; |
043 |
this .delayUpperLimit = delayUpperLimit; |
044 |
barrier = new BoundlessCyclicBarrier( 0 ); |
045 |
workState = new AtomicInteger(WS_OFF); |
046 |
parametersVersion = new AtomicInteger( 0 ); |
050 |
private void initThread() { |
051 |
workThread = new Thread( "trytocatch's worker" ) { |
057 |
while (!workState.compareAndSet(WS_NEW_TASK, |
058 |
updateDelay > 0 ? WS_DELAY_RESET : WS_WORKING)) { |
059 |
if (workState.compareAndSet(WS_CANCELED, WS_OFF)) { |
065 |
if (workState.get() == WS_DELAY_RESET) { |
068 |
if (workState.compareAndSet(WS_DELAY_RESET, |
070 |
sleepCount = (updateDelay + sleepPeriod - 1 ) |
074 |
if (--sleepCount <= 0 |
075 |
&& workState.compareAndSet(WS_DELAYING, |
078 |
if (delayUpperLimit >= 0 ) { |
079 |
delaySum += sleepPeriod; |
080 |
if (delaySum >= delayUpperLimit) { |
081 |
if (!workState.compareAndSet( |
082 |
WS_DELAYING, WS_WORKING)) |
083 |
workState.compareAndSet( |
084 |
WS_DELAY_RESET, WS_WORKING); |
088 |
if (workState.get() != WS_DELAYING |
089 |
&& workState.get() != WS_DELAY_RESET) |
094 |
int workingVersion = parametersVersion.get(); |
097 |
if (workState.compareAndSet(WS_WORKING, WS_OFF)) |
098 |
barrier.nextCycle(workingVersion); |
099 |
} catch (Throwable t) { |
101 |
workState.set(WS_CANCELED); |
104 |
} catch (InterruptedException e) { |
105 |
workState.compareAndSet(WS_DELAYING, WS_CANCELED); |
106 |
workState.compareAndSet(WS_DELAY_RESET, WS_CANCELED); |
111 |
workThread.setDaemon( true ); |
115 |
public int getUpdateDelay() { |
121 |
* delay time. unit: millisecond |
123 |
public void setUpdateDelay( int updateDelay) { |
124 |
this .updateDelay = updateDelay < 0 ? 0 : updateDelay; |
127 |
public int getDelayUpperLimit() { |
128 |
return delayUpperLimit; |
132 |
* @param delayUpperLimit limit the sum of the delay, disabled |
133 |
* while delayUpperLimit<0, unit: millisecond |
135 |
public void setDelayUpperLimit( int delayUpperLimit) { |
136 |
this .delayUpperLimit = delayUpperLimit; |
139 |
public final void stopCurrentWorking() { |
140 |
workState.set(WS_CANCELED); |
144 |
* @return NO_NEED_TO_UPDATE, COMMITTED |
146 |
public final int update() { |
147 |
if (isResultUptodate()) |
148 |
return UPDATE_NO_NEED_TO_UPDATE; |
149 |
if (workState.compareAndSet(WS_CANCELED, WS_NEW_TASK) |
150 |
|| workState.compareAndSet(WS_OFF, WS_NEW_TASK)) |
151 |
LockSupport.unpark(workThread); |
152 |
return UPDATE_COMMITTED; |
158 |
* @return FAILED, NO_NEED_TO_UPDATE, SUCCESS |
159 |
* @throws InterruptedException |
161 |
public final int updateAndWait( long nanosTimeout) |
162 |
throws InterruptedException { |
163 |
int newVersion = parametersVersion.get(); |
164 |
if (update() == UPDATE_NO_NEED_TO_UPDATE) |
165 |
return UPDATE_NO_NEED_TO_UPDATE; |
166 |
barrier.awaitWithAssignedVersion(newVersion, nanosTimeout); |
167 |
return barrier.getVersion() - newVersion >= 0 ? UPDATE_SUCCESS |
172 |
* @return FAILED, NO_NEED_TO_UPDATE, SUCCESS |
173 |
* @throws InterruptedException |
175 |
public final int updateAndWait() throws InterruptedException { |
176 |
return updateAndWait( 0 ); |
179 |
public final boolean isResultUptodate() { |
180 |
return parametersVersion.get() == barrier.getVersion(); |
184 |
* be used in calculateResult() |
185 |
* @return true: the work state is working, worth to calculate the |
186 |
* result absolutely, otherwise you can cancel the current calculation |
188 |
protected final boolean isWorking() { |
189 |
return workState.get()==WS_WORKING; |
193 |
* you must call this after update the parameters, and before calling the |
196 |
protected final void updateParametersVersion() { |
197 |
int pVersion = parametersVersion.get(); |
199 |
if (parametersVersion.compareAndSet(pVersion, pVersion + 1 )) |
200 |
if (!workState.compareAndSet(WS_DELAYING, WS_DELAY_RESET)) |
201 |
workState.compareAndSet(WS_WORKING, WS_NEW_TASK); |
205 |
* implement this to deal with you task |
207 |
protected abstract void calculateResult(); |
代码中,我直接在构造方法里开启了新的线程,一般来说,是不推荐这样做的,但在此处,除非在构造还未完成时就执行update方法,否则不会引发什么问题。
最后,附上该正则替换工具的介绍和下载地址:http://www.cnblogs.com/trytocatch/p/RegexReplacer.html
小结
状态变更非常适合使用非阻塞算法,并且还能够达到wait-free级别。限于篇幅,有些没讲到的细节,请读者借助代码来理解吧,如有疑问,欢迎回复讨论。
系列总结
本实战系列就到此结束了,简单总结下。
非阻塞同步相对于锁同步而言,由代码块,转为了点,是另一种思考方式。
有时,无法做到一步完成,也许可以分成两步完成,同样可以解决问题,ConcurrentLinkedQueue就是这么做的。
如果需要维护多个数据之间的某种一致关系,则可以将它们封装到一个类中,更新时采用更新该类对象的引用的方式。
众所周知,锁同步算法是难以测试的,非阻塞同步算法更加难以测试,我个人认为,其正确性主要靠慎密的推敲和论证。
非阻塞同步算法比锁同步算法要显得更复杂些,如果对性能要求不高,对非阻塞算法掌握得还不太熟练,建议不要使用非阻塞算法,锁同步算法要简洁得多,也更容易维护,如上面所说的,两条看似没有顺序的语句,调换下顺序,可能就会引发BUG。
文章转自 并发编程网-ifeve.com