依赖状态的线程任务的等待方式之忙等待

longfurcat 2018-09-10 原文

引入：

　　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;
    }
}

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。

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。

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，因为它占据着CPU，不做计算，而只是等待。

“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。