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    非阻塞同步算法实战(二)-BoundlessCyclicBarrier

    感谢网友trytocatch的投稿

    前言

    相比上一 篇而言,本文不需要太多的准备知识,但技巧性更强一些。因为分析、设计的过程比较复杂繁琐,也限于篇幅,所以,主要展示如何解决这些需求,和讲解代码。另外,所讲的内容也是后一篇实战中需要用到的一个工具类。

    需求介绍

    我需要编写一个同步工具,它需要提供这样几个方法:await、pass、cancel。某个线程调用await时,会被阻塞;当调用pass方法时,之前因为await而阻塞的线程将全部被解除阻塞,之后调用await的线程继续被阻塞,直到下一次调用pass。

    该工具同时还维护一个版本号,await方法可以带一个目标版本号,如果当前的版本号比目标版本号新或相同,则直接通过,否则,阻塞本线程,直到到达或超过目标版本。调用pass的时候,更新版本号。

    如果停止了版本更新,可使用cancel方法来解除所有因await而阻塞的线程,包括指定版本号的。此方法用于避免无谓地等待。若await发生在cancel之后,则仍将被阻塞。

    因为CountDownLatch不允许重复使用,CyclicBarrier只支持固定个数的线程,并且都没有维护一个版本号,所以没有已有的类能实现上面的需求,需要自己实现。

    问题分析

    简单分析可知,应该维护一个队列,来保存当前被阻塞的线程,用于在pass时对它们一一解除阻塞,pass时应该使用一个新的队列,否则不方便正确处理pass前和pass后调用await的线程。

    至此,问题的关键就明了了:如何将队列的替换和版本号的更新这两个操作做成原子的。

    解决方案

    以前在《JAVA并发编程实践》曾看到过这样一个小技巧,如果要原子地更新两个变量,那么可以创建一个新的类将它们封装起来,将这两个变量当定义成类成员变量,更新时,用CAS更新这个类的引用即可。

    因为较为复杂,下面先给出完整的代码,再讲解其中的关键。

    注意:上面所说pass,在代码中的具体实现为nextCycle,有两个版本,一个自动维护版本号,一个由调用者维护版本号。

    /**
     * @author trytocatch@163.com
     * @time 2013-1-31
     */
    public class BoundlessCyclicBarrier {
        protected final AtomicReference<VersionQueue> waitQueueRef;
    
        public BoundlessCyclicBarrier() {
            this(0);
        }
    
        public BoundlessCyclicBarrier(int startVersion) {
            waitQueueRef = new AtomicReference<VersionQueue>(new VersionQueue(startVersion));
        }
    
        public final void awaitWithAssignedVersion(int myVersion)
                throws InterruptedException {
            awaitImpl(true, myVersion, 0);
        }
    
        /**
         *
         * @param myVersion
         * @param nanosTimeout
         * @return if timeout, or be canceled and doesn't reach myVersion, returns false
         * @throws InterruptedException
         */
        public final boolean awaitWithAssignedVersion(int myVersion, long nanosTimeout) throws InterruptedException {
            return awaitImpl(true, myVersion, nanosTimeout);
        }
    
        public final void await() throws InterruptedException {
            awaitImpl(false, 0, 0);
        }
    
        /**
         *
         * @param nanosTimeout
         * @return if and only if timeout, returns false
         * @throws InterruptedException
         */
        public final boolean await(long nanosTimeout)
                throws InterruptedException {
            return awaitImpl(false, 0, nanosTimeout);
        }
    
        /**
         * pass and version++(some threads may not be unparked when awaitImpl is in process, but it's OK in this Barrier)
         * @return old queue version
         */
        public int nextCycle() {
            VersionQueue oldQueue = waitQueueRef.get();
            VersionQueue newQueue = new VersionQueue(oldQueue.version + 1);
            for(;;){
                if (waitQueueRef.compareAndSet(oldQueue, newQueue)) {
                    for (Thread t : oldQueue.queue)
                        LockSupport.unpark(t);
                    break;
                }
                oldQueue = waitQueueRef.get();
                newQueue.version = oldQueue.version + 1;
            }
            return oldQueue.version;
        }
    
        /**
         * pass and assign the next cycle version(caller should make sure that the newAssignVersion is right)
         * @param newAssignVersion
         */
        public void nextCycle(int newAssignVersion) {
            VersionQueue oldQueue = waitQueueRef.getAndSet(new VersionQueue(newAssignVersion));
            for (Thread t : oldQueue.queue)
                LockSupport.unpark(t);
        }
    
        /**
         * if version update has stopped, invoke this to awake all threads
         */
        public void cancel(){
            VersionQueue oldQueue = waitQueueRef.get();
            if (waitQueueRef.compareAndSet(oldQueue, new VersionQueue(oldQueue.version, true))) {
                for (Thread t : oldQueue.queue)
                    LockSupport.unpark(t);
        }
    
        public final int getVersion() {
            return waitQueueRef.get().version;
        }
    
        private static final class VersionQueue {
            final private ConcurrentLinkedQueue queue;
            int version;
            final boolean isCancelQueue;
    
            VersionQueue(int curVersion){
                this(curVersion, false);
            }
    
            VersionQueue(int curVersion, boolean isCancelQueue) {
                this.version = curVersion;
                this.isCancelQueue = isCancelQueue;
                queue = new ConcurrentLinkedQueue();
            }
        }
    
        /**
         *
         * @param assignVersion is myVersion available
         * @param myVersion wait for this version
         * @param nanosTimeout wait time(nanosTimeout <=0 means that nanosTimeout is invalid)      * @return if timeout, or be canceled and doesn't reach myVersion, returns false      * @throws InterruptedException      */     protected boolean awaitImpl(boolean assignVersion, int myVersion,             long nanosTimeout) throws InterruptedException {         boolean timeOutEnable = nanosTimeout > 0;
            long lastTime = System.nanoTime();
            VersionQueue newQueue = waitQueueRef.get();//A
            if (assignVersion && newQueue.version - myVersion >= 0)
                return true;
            while (true) {
                VersionQueue submitQueue = newQueue;//B
                submitQueue.queue.add(Thread.currentThread());//C
                while (true) {
                    newQueue = waitQueueRef.get();//D
                    if (newQueue != submitQueue){//E: it's a new cycle
                        if(assignVersion == false)
                            return true;
                        else if(newQueue.version - myVersion >= 0)
                            return true;
                        else if (newQueue.isCancelQueue)//F: be canceled
                            return false;
                        else//just like invoking awaitImpl again
                            break;
                    }
                    if (timeOutEnable) {
                        if (nanosTimeout <= 0)
                            return false;
                        LockSupport.parkNanos(this, nanosTimeout);
                        long now = System.nanoTime();
                        nanosTimeout -= now - lastTime;
                        lastTime = now;
                    } else
                        LockSupport.park(this);
                    if (Thread.interrupted())
                        throw new InterruptedException();
                }
            }
        }
    }
    

    代码分析

    先分析一下awaitImpl方法,A和D是该方法的关键点,决定着它属于哪一个批次,对应哪一个版本。这里有个小细节,在nexeCycle,cancel解除阻塞时,该线程可能并不在队列中,因为插入队列发生在C处,这在A和D之后(虽然看起来C在D之前,但D取到的queue要在下一次循环时才被当作submitQueue),所以,在E处再进行了一次判断,开始解除阻塞时,旧队列肯定被新队列所替换,newQueue != submitQueue一定为真,就会不调用park进行阻塞了,也就不需要解除阻塞,所以即使解除阻塞时,该线程不在队列中也是没问题的。

    再看E处,当进入一个新的cycle时(当前队列与提交的队列不同),a)如果没指定版本,或者到达或超过了指定版本,则返回true;b)如果当前调用了cancel,则当前队列的isCancelQueue将为true,则不继续傻等,返回false;c)或者还未到达指定版本,break,插入到当前队列中,继续等待指定版本的到达。

    如果没有进入E处的IF内,则当前线程会被阻塞,直到超时,然后返回false;或被中断,然后抛出InterruptedException;或被解除阻塞,重新进行E处的判定。

    这里还有个小细节,既然cancel时,把当前的队列设置了isCancelQueue,那么之后指定版本的await会不会也直接返回了呢?其实不会的,因为它若要执行F处的判断,则先必需通过E处的判定,这意味着,当前队列已经不是提交时的那个设置了isCancelQueue的队列了。

    代码中对于cancel的处理,其实并不保证cancel后,之前的await都会被解除阻塞并返回,如果cancel后,紧接着又调用了nextCycle,那么可能某线程感知不到cancel的调用,唤醒后又继续等待指定的版本。cancel的目的是在于不让线程傻等,既然恢复版本更新了,那就继续等待吧。

    如果自己维护版本号,则应该保证递增。另外,版本号的设计,考虑到了int溢出的情况,版本的前后判断,我不是使用newVersion>=oldVersion,而是newVersion-oldVersion>=0,这样,版本号就相当于循环使用了,只要两个比较的版本号的差不超过int的最大值,那么都是正确的,int的最大值可是20多亿,几乎不可能出现跨度这么大的两个版本号的比较,所以,认为它是正确的。

    小结

    本文讲到了一个非阻塞同步算法设计时的小技巧,如果多个变量之间要维护某种特定关系,那么可以将它们封装到一个类中,再用CAS更新这个类的引用,这样就达到了:要么都被更新,要么都没被更新,保持了多个变量之间的一致性。同时需要注意的是,每次更新都必需创建新的包装对象,假如有其它更好的办法,应该避免使用该方法。

    原创文章,转载请注明: 转载自并发编程网 – www.gofansmi6.com本文链接地址: 非阻塞同步算法实战(二)-BoundlessCyclicBarrier


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