多线程编程之保护性暂挂模式

       保护性暂挂模式，也称为Guarded Suspension模式，指的是当前线程在执行某个任务之前，需要检查某一条件，只有在该条件成立的情况下，当前线程才可以继续往下执行当前任务。顾名思义，保护性暂挂模式是一种广义的概念，其主要载体有两个：预备条件和任务，在任何需要使用预先检查的情况中都可以使用保护性暂挂模式。

1. 角色描述

       如下是类图中各个角色定位的描述：

• GuardedObject：受保护的对象，供给客户端调用，用于生成并执行受保护的行为的和检查并控制状态改变的，如下是其各个方法的作用：
  • guardedMethod()：生成并且执行受保护的行为；
  • stateOperation()：用于检查当前状态是否满足特定的状态，从而控制受保护行为的状态；
• Blocker：该类主要提供了一些模板方法，主要是用于调用受保护行为，或者唤醒当前由于先验条件不通过而导致等待的线程的，如下是其各个方法的作用：
  • callWithGuard(GuardedAction)：该方法首先会检查GuardedAction提供的先验条件是否满足，如果不满足，则会阻塞当前线程，否则会执行GuardedAction中的任务；
  • signalAfter(Callable)：该方法会先检查先验条件是否满足，如果满足先验条件则会唤醒一个正在等待的线程；
  • broadcastAfter(Callable)：该方法会先检查先验条件是否满足，如果先验条件满足则会唤醒所有正在等待的线程；
  • signal：直接唤醒一个正在等待先验条件满足的线程；
  • broadcast()：直接唤醒所有正在等待先验条件满足的线程；
• GuardedAction：受保护方法的载体，并且提供了进行先验检查的条件，其各方法和属性作用如下：
  • predicate：提供了进行先验检查的条件；
  • call()：提供了需要执行的任务；
• Predicate：承载了进行先验条件检查的条件。

2. 实例演示

       比如我们会遇到这种场景，在进行某些操作时，比如通过elasticsearch服务器进行查询或更新操作，我们需要连接es服务器，而在es服务器连接上之前，所有的查询和更新操作都是需要被阻塞的。即使在服务器连接上之后，我们也需要经常对服务器进行心跳测试，以检查与服务器的连接是否还存活在，如果不存活，则还是需要继续阻塞其余的操作，并且尝试重新连接es服务器，这种情况我们就可以使用到保护性暂挂模式。保护性条件即是与es服务器的连接还存活在，如果不存活则需要挂起所有尝试连接服务器执行任务的线程，并且当前线程会尝试连接服务器。如下是示例代码：

public class ElasticSearchAgent {
  private volatile boolean connectedToServer = false;

  private final Predicate agentConnected = () -> connectedToServer;

  private final Blocker blocker = new ConditionVarBlocker();

  private final Timer heartbeatTimer = new Timer(true);

  public void update(final UpdateCondition condition) throws Exception {
    GuardedAction<Void> guardedAction = new GuardedAction<Void>(agentConnected) {
      @Override
      public Void call() {
        doUpdate(condition);
        return null;
      }
    };

    blocker.callWithGuard(guardedAction);
  }

  private void doUpdate(UpdateCondition condition) {
    try {
      TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(20); // 模拟进行更新
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }

  public void init() {
    Thread connectingThread = new Thread(new ConnectingTask());
    connectingThread.start();
    heartbeatTimer.schedule(new HeartBeatTask(), 60000, 2000);
  }

  public void disconnect() {
    connectedToServer = false;
  }

  protected void onConnected() {
    try {
      blocker.signalAfter(() -> {
        connectedToServer = true;
        return Boolean.TRUE;
      });
    } catch (Exception e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }

  protected void onDisconnected() {
    connectedToServer = false;
  }

  private class ConnectingTask implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
      try {
        Thread.sleep(100);
      } catch (InterruptedException e) {}

      onConnected();
    }
  }

  private class HeartBeatTask extends TimerTask {

    @Override
    public void run() {
      if (!testConnection()) {
        onDisconnected();
        reconnect();
      }
    }

    private boolean testConnection() {
      return true;
    }

    private void reconnect() {
      ConnectingTask connectingTask = new ConnectingTask();
      connectingTask.run();
    }
  }
}

       可以看到，在进行update()操作时，首先会创建一个GuardedAction对象，真正的更新操作是在该对象中进行的，这里的保护性条件是通过一个volatile类型的变量connectedToServer来控制的，如果当前与es服务器的连接还存活在，则该变量置为true。HeartBeatTask是一个定时任务，在60s延迟之后每隔2s会向服务器发送心跳测试，以检查连接是否存活，如果不存活，则会将connectedToServer变量置为false，并且会尝试连接服务器。在init()方法中首先会创建一个连接服务器的任务，以保证服务器连接在初始时的可用状态，并且其还会启动心跳测试的定时任务。如下是Blocker和ConditionVarBlocker的实现代码：

public interface Blocker {
  <V> V callWithGuard(GuardedAction<V> guardedAction) throws Exception;

  void signalAfter(Callable<Boolean> stateOperation) throws Exception;

  void signal() throws InterruptedException;

  void broadcastAfter(Callable<Boolean> stateOperation) throws Exception;
}

public class ConditionVarBlocker implements Blocker {
  private final Lock lock;
  private final Condition condition;

  public ConditionVarBlocker(Lock lock) {
    this.lock = lock;
    this.condition = lock.newCondition();
  }

  public ConditionVarBlocker() {
    this.lock = new ReentrantLock();
    this.condition = lock.newCondition();
  }

  @Override
  public <V> V callWithGuard(GuardedAction<V> guardedAction) throws Exception {
    lock.lockInterruptibly();
    try {
      final Predicate guard = guardedAction.guard;
      while (!guard.evaluate()) {
        condition.await();
      }

      return guardedAction.call();
    } finally {
      lock.unlock();
    }
  }

  @Override
  public void signalAfter(Callable<Boolean> stateOperation) throws Exception {
    lock.lockInterruptibly();
    try {
      if (stateOperation.call()) {
        condition.signal();
      }
    } finally {
      lock.unlock();
    }
  }

  @Override
  public void signal() throws InterruptedException {
    lock.lockInterruptibly();
    try {
      condition.signal();
    } finally {
      lock.unlock();
    }
  }

  @Override
  public void broadcastAfter(Callable<Boolean> stateOperation) throws Exception {
    lock.lockInterruptibly();
    try {
      if (stateOperation.call()) {
        condition.signalAll();
      }
    } finally {
      lock.unlock();
    }
  }
}

        可以看到，ConditionVarBlocker中基本上都是模板代码，其声明了一个Lock对象和一个Condition对象，Lock对象用于对当前的先验条件检查过程进行同步处理，Condition对象则用于在先验条件不满足的情况下阻塞当前线程的。

       在callWithGuard()方法中，首先会在一个循环中检查当前的先验条件是否满足，如果不满足，则使当前线程进入等待状态，如果满足，则当前线程继续执行其任务。这里需要注意的是，我们使用了while()循环用于判断先验条件是否满足，因为有可能当前线程被意外的唤醒，或者说被唤醒之后先验条件还是不满足，因而这里使用循环判断，以使当前线程在先验条件不满足的情况下继续等待。

       在signalAfter()方法中，其首先调用stateOperation.call()方法，判断当前的先验条件是否满足，只有在先验条件满足的情况下才会唤醒一个等待的线程。这里stateOperation是ElasticSearchAgent传入的用于判断当前是否处于连接状态的一个条件载体。

       如下是GuardedAction的实现代码：

public abstract class GuardedAction<V> implements Callable<V> {
  protected final Predicate guard;

  public GuardedAction(Predicate guard) {
    this.guard = guard;
  }
}

       这里GuardedAction是一个抽象类，其主要封装了一个Predicate属性。GuardedAction的主要实现在ElasticSearchAgent.guardedMethod()方法中生成的，因为具体需要执行的任务需要调用方生成，这里只是提供了一个模板方法。如下是Predicate的代码：

@FunctionalInterface
public interface Predicate {
  boolean evaluate();
}

       这里Predicate也只是一个声明而已，其具体的实现也是在ElasticSearchAgent中，本例中主要是判断connectedToServer是否为true，即处于连接服务器的状态。

3. Guarded Suspension实现考量

• 可以看到Guarded Suspension的实现中，Blocker、GuardedAction和Predicate只是提供的一个模板，其内主要是一些通用的代码，而和具体业务相关的代码主要在ElasticSearchAgent中，其会创建所需执行的GuardedAction对象，并且控制其所需的先验条件。Guarded Suspension将关注点进行了分离，我们在使用该模式的时候主要需要实现的也即是类似于ElasticSearchAgent的一个客户端类；
• 在执行使用Guarded Suspension模式的时候，需要注意的是，每次执行GuardedObject.guardedMethod()方法时都会创建一个GuardedAction对象，这可能会对JVM垃圾回收造成一定的负担，因而在使用该模式时如果内存较小需要特别注意该问题；
• 在Guarded Suspension模式中，ConditionVarBlocker的callWithGuard()和signal*()方法的执行都进行了加锁处理，这是因为ConditionVarBlocker是所有线程所共有的一个对象，其lock和condition变量是需要所有线程都一致可见的，因而这里需要对其进行加锁处理；
• 在ConditionVarBlocker.callWithGuard()方法中，对先验条件的检查是使用一个while循环进行的，这是为了防止等待的线程被意外的唤醒，而先验条件此时还不满足，使用while循环就可以保证当前线程再次进入到等待状态；
• 上述ConditionVarBlocker还提供了一个如下的构造方法：

public ConditionVarBlocker(Lock lock) {
    this.lock = lock;
    this.condition = lock.newCondition();
}

该方法用于防止ElasticSearchAgent由于某种原因而需要加锁时可能会造成嵌套监视器锁死的问题的。所谓的嵌套监视器锁死的问题指的是，如果某个线程执行依次获取了两个锁，而由于先验条件不满足，从而导致当前线程释放了内层锁从而进入等待状态，而另外的线程为了检查当前的先验条件需要获取到外层锁，这就导致了锁循环等待的问题，在等待先验条件满足的线程持有外层锁，其无法释放，而尝试改变先验条件的线程正在尝试获取外层锁，但其一直无法获取到，从而造成了死锁。这种情况下就提供了该构造方法，如果ElasticSearchAgent需要对其方法进行加锁，那么其需要通过该构造方法将锁传递给ConditionVarBlocker，这样当前线程在释放锁的时候就会将外层锁和内层锁同时释放了（因为都是同一个锁）。