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Java并发20并发设计模式-Guarded-Suspension模式等待唤醒机制的规范实现

jiezi

在开发中我们或许回遇到这样的情况：有一个 Web 版的文件浏览器，通过它用户可以在浏览器里查看服务器上的目录和文件。这个项目依赖运维部门提供的文件浏览服务，而这个文件浏览服务只支持消息队列（MQ）方式接入。消息队列在互联网大厂中用的非常多，主要用作流量削峰和系统解耦。在这种接入方式中，发送消息和消费结果这两个操作之间是异步的，你可以参考下面的示意图来理解。

消息队列（MQ）示意图

在这个 Web 项目中，用户通过浏览器发过来一个请求，会被转换成一个异步消息发送给 MQ，等 MQ 返回结果后，再将这个结果返回至浏览器。问题来了：给 MQ 发送消息的线程是处理 Web 请求的线程 T1，但消费 MQ 结果的线程并不是线程 T1，那线程 T1 如何等待 MQ 的返回结果呢？示例代码如下。

class Message{
  String id;
  String content;
}
// 该方法可以发送消息
void send(Message msg){// 省略相关代码}
//MQ 消息返回后会调用该方法
// 该方法的执行线程不同于
// 发送消息的线程
void onMessage(Message msg){// 省略相关代码}
// 处理浏览器发来的请求
Respond handleWebReq(){
  // 创建一消息
  Message msg1 = new 
    Message("1","{...}");
  // 发送消息
  send(msg1);
  // 如何等待 MQ 返回的消息呢？String result = ...;
}

Guarded Suspension 模式

上面遇到的问题，在现实世界里比比皆是，只是我们一不小心就忽略了。比如，项目组团建要外出聚餐，我们提前预订了一个包间，然后兴冲冲地奔过去，到那儿后大堂经理看了一眼包间，发现服务员正在收拾，就会告诉我们：“您预订的包间服务员正在收拾，请您稍等片刻。”过了一会，大堂经理发现包间已经收拾完了，于是马上带我们去包间就餐。

我们等待包间收拾完的这个过程和前面的等待 MQ 返回消息本质上是一样的，都是 等待一个条件满足：就餐需要等待包间收拾完，程序里要等待 MQ 返回消息。

通过类比, 我们的程序也需要大堂经理这样的逻辑，但是怎么去设计呢？其实设计方案前人早就搞定了，而且还将其总结成了一个设计模式：Guarded Suspension。所谓 Guarded Suspension，直译过来就是“保护性地暂停”。那下面我们就来看看，Guarded Suspension 模式是如何模拟大堂经理进行保护性地暂停的。

下图就是 Guarded Suspension 模式的结构图，非常简单，一个对象 GuardedObject，内部有一个成员变量——受保护的对象，以及两个成员方法——get(Predicate<T> p)和onChanged(T obj)

Guarded Suspension 模式结构图

GuardedObject 的内部实现非常简单，是管程的一个经典用法，你可以参考下面的示例代码，核心是：get() 方法通过条件变量的 await() 方法实现等待，onChanged() 方法通过条件变量的 signalAll() 方法实现唤醒功能。

class GuardedObject<T>{
  // 受保护的对象
  T obj;
  final Lock lock = 
    new ReentrantLock();
  final Condition done =
    lock.newCondition();
  final int timeout=1;
  // 获取受保护对象  
  T get(Predicate<T> p) {lock.lock();
    try {
      //MESA 管程推荐写法
      while(!p.test(obj)){
        done.await(timeout, 
          TimeUnit.SECONDS);
      }
    }catch(InterruptedException e){throw new RuntimeException(e);
    }finally{lock.unlock();
    }
    // 返回非空的受保护对象
    return obj;
  }
  // 事件通知方法
  void onChanged(T obj) {lock.lock();
    try {
      this.obj = obj;
      done.signalAll();} finally {lock.unlock();
    }
  }
}

扩展 Guarded Suspension 模式

Guarded Suspension 模式里 GuardedObject 有两个核心方法，一个是 get() 方法，一个是 onChanged() 方法。很显然，在处理 Web 请求的方法 handleWebReq() 中，可以调用 GuardedObject 的 get() 方法来实现等待；在 MQ 消息的消费方法 onMessage() 中，可以调用 GuardedObject 的 onChanged() 方法来实现唤醒。

// 处理浏览器发来的请求
Respond handleWebReq(){
  // 创建一消息
  Message msg1 = new 
    Message("1","{...}");
  // 发送消息
  send(msg1);
  // 利用 GuardedObject 实现等待
  GuardedObject<Message> go
    =new GuardObjec<>();
  Message r = go.get(t->t != null);
}
void onMessage(Message msg){
  // 如何找到匹配的 go？GuardedObject<Message> go=???
  go.onChanged(msg);
}

但是在实现的时候会遇到一个问题，handleWebReq() 里面创建了 GuardedObject 对象的实例 go，并调用其 get() 方等待结果，那在 onMessage() 方法中，如何才能够找到匹配的 GuardedObject 对象呢？

我们可以参考大堂经理识别就餐人的办法，来扩展一下 Guarded Suspension 模式，从而使它能够很方便地解决我们的问题。在程序中，每个发送到 MQ 的消息，都有一个唯一性的属性 id，所以我们可以维护一个 MQ 消息 id 和 GuardedObject 对象实例的关系。

下面的示例代码是扩展 Guarded Suspension 模式的实现，扩展后的 GuardedObject 内部维护了一个 Map，其 Key 是 MQ 消息 id，而 Value 是 GuardedObject 对象实例，同时增加了静态方法 create() 和 fireEvent()；create() 方法用来创建一个 GuardedObject 对象实例，并根据 key 值将其加入到 Map 中，而 fireEvent() 方法则是模拟的大堂经理根据包间找就餐人的逻辑。

class GuardedObject<T>{
  // 受保护的对象
  T obj;
  final Lock lock = 
    new ReentrantLock();
  final Condition done =
    lock.newCondition();
  final int timeout=2;
  // 保存所有 GuardedObject
  final static Map<Object, GuardedObject> 
  gos=new ConcurrentHashMap<>();
  // 静态方法创建 GuardedObject
  static <K> GuardedObject 
      create(K key){GuardedObject go=new GuardedObject();
    gos.put(key, go);
    return go;
  }
  static <K, T> void 
      fireEvent(K key, T obj){GuardedObject go=gos.remove(key);
    if (go != null){go.onChanged(obj);
    }
  }
  // 获取受保护对象  
  T get(Predicate<T> p) {lock.lock();
    try {
      //MESA 管程推荐写法
      while(!p.test(obj)){
        done.await(timeout, 
          TimeUnit.SECONDS);
      }
    }catch(InterruptedException e){throw new RuntimeException(e);
    }finally{lock.unlock();
    }
    // 返回非空的受保护对象
    return obj;
  }
  // 事件通知方法
  void onChanged(T obj) {lock.lock();
    try {
      this.obj = obj;
      done.signalAll();} finally {lock.unlock();
    }
  }
}

这样利用扩展后的 GuardedObject 来解决我们之前的问题就很简单了，具体代码如下所示。

// 处理浏览器发来的请求
Respond handleWebReq(){int id= 序号生成器.get();
  // 创建一消息
  Message msg1 = new 
    Message(id,"{...}");
  // 创建 GuardedObject 实例
  GuardedObject<Message> go=
    GuardedObject.create(id);  
  // 发送消息
  send(msg1);
  // 等待 MQ 消息
  Message r = go.get(t->t != null);  
}
void onMessage(Message msg){
  // 唤醒等待的线程
  GuardedObject.fireEvent(msg.id, msg);
}

总结

Guarded Suspension 模式本质上是一种等待唤醒机制的实现，只不过 Guarded Suspension 模式将其规范化了。但 Guarded Suspension 模式在解决实际问题的时候，往往还是需要扩展的，扩展的方式有很多，本篇文章就直接对 GuardedObject 的功能进行了增强，Dubbo 中 DefaultFuture 这个类也是采用的这种方式，你可以对比着来看，相信对 DefaultFuture 的实现原理会理解得更透彻。当然，你也可以创建新的类来实现对 Guarded Suspension 模式的扩展。

Guarded Suspension 模式也常被称作 Guarded Wait 模式、Spin Lock 模式（因为使用了 while 循环去等待），这些名字都很形象，不过它还有一个更形象的非官方名字：多线程版本的 if。单线程场景中，if 语句是不需要等待的，因为在只有一个线程的条件下，如果这个线程被阻塞，那就没有其他活动线程了，这意味着 if 判断条件的结果也不会发生变化了。但是多线程场景中，等待就变得有意义了，这种场景下，if 判断条件的结果是可能发生变化的。所以，用“多线程版本的 if”来理解这个模式会更简单。

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