Java 中的受保护挂起模式：确保关键部分的安全并发

大约 3 分钟

也称为

条件块
挂起执行

受保护挂起设计模式的意图

受保护挂起模式在 Java 设计模式中至关重要，用于管理需要锁定和条件才能执行的操作。它通过允许线程高效地等待正确条件来优化并发控制。

带实际示例的受保护挂起模式的详细解释

实际示例

在拼车服务中可以看到受保护挂起模式的实际示例。在这个系统中，乘客会等待汽车可用，从而确保高效地使用资源，而无需持续检查。当乘客请求乘车时，该请求会暂停，直到有司机可用。该系统会监控司机是否可用，一旦司机准备好接送新的乘客，该系统会通知等待的乘客并恢复乘车请求过程。这确保乘客不会持续检查是否有可用司机，并且司机根据其可用情况与乘客进行有效匹配。

简单来说

当一个线程等待另一个线程执行的结果时，会使用受保护挂起模式。

维基百科说

在并发编程中，受保护挂起模式管理需要锁和前提条件的操作，延迟执行，直到满足前提条件。

Java 中受保护挂起模式的编程示例

Java 中的 GuardedQueue 类展示了使用受保护挂起模式的并发编程。它包括同步方法来管理线程管理和同步，展示了线程如何等待正确条件才能执行。

GuardedQueue 类通过封装一个队列并提供两个同步方法 get 和 put 来演示受保护挂起模式。get 方法在队列为空时等待，而 put 方法向队列添加一个项并通知任何等待的线程。

@Slf4j
public class GuardedQueue {
    private final Queue<Integer> sourceList = new LinkedList<>();

    // Synchronized get method waits until the queue is not empty
    public synchronized Integer get() {
        while (sourceList.isEmpty()) {
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                LOGGER.error("Error occurred: ", e);
            }
        }
        return sourceList.poll();
    }

    // Synchronized put method adds an item to the queue and notifies waiting threads
    public synchronized void put(Integer e) {
        sourceList.add(e);
        notify();
    }
}

get：此方法在 sourceList 为空时等待。当添加一个项并调用 notify 时，等待的线程会醒来继续执行并检索该项。
put：此方法向队列添加一个项，并调用 notify 来唤醒在 get 方法中暂停的任何等待线程。

以下是驱动示例的 App 类

public class App {
    public static void main(String[] args) {
        GuardedQueue guardedQueue = new GuardedQueue();
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(3);

        // Thread to get from the guardedQueue
        executorService.execute(() -> {
            Integer item = guardedQueue.get();
            LOGGER.info("Retrieved: " + item);
        });

        // Simulating some delay before putting an item
        try {
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            LOGGER.error("Error occurred: ", e);
        }

        // Thread to put an item into the guardedQueue
        executorService.execute(() -> {
            guardedQueue.put(20);
            LOGGER.info("Item added to queue");
        });

        executorService.shutdown();
        try {
            executorService.awaitTermination(30, TimeUnit.SECONDS);
        } catch (InterruptedException e) {
            LOGGER.error("Error occurred: ", e);
        }
    }
}

ExecutorService 用于管理线程池。
第一个线程尝试从 GuardedQueue 中检索一个项，并等待，因为队列最初是空的。
延迟 2 秒后，第二个线程向队列添加一个项，唤醒第一个线程。
然后，第一个线程检索该项并记录它。

执行结果

19:22:58.984 [pool-1-thread-1] INFO com.iluwatar.guarded.suspension.GuardedQueue -- waiting
19:23:00.993 [pool-1-thread-2] INFO com.iluwatar.guarded.suspension.GuardedQueue -- putting
19:23:00.994 [pool-1-thread-2] INFO com.iluwatar.guarded.suspension.GuardedQueue -- notifying
19:23:00.994 [pool-1-thread-1] INFO com.iluwatar.guarded.suspension.GuardedQueue -- getting
19:23:00.994 [pool-1-thread-1] INFO com.iluwatar.guarded.suspension.GuardedQueue -- Retrieved: 20

日志输出显示了事件顺序：第一个线程等待，第二个线程放入一个项，然后第一个线程检索该项。这演示了受保护挂起模式的实际应用。

何时在 Java 中使用受保护挂起模式

对于需要线程等待特定条件的场景，此模式非常理想，它可以促进有效的并发控制并减少繁忙等待的开销。

Java 中受保护挂起模式的实际应用

等待客户端请求的网络服务器。
生产者-消费者场景，其中消费者必须等待生产者提供数据。
事件驱动的应用程序，其中操作只有在发生特定事件后才会触发。

受保护挂起模式的优缺点

优点

通过防止繁忙等待来减少 CPU 消耗。
通过将操作同步到必要条件或资源的可用性来提高系统响应能力。

权衡

实现的复杂性，尤其是在需要管理多个条件时。
如果管理不当，可能会导致死锁。

监视器：这两种模式都根据条件管理线程的同步。受保护挂起专门处理挂起线程，直到满足条件，而监视器对象封装了条件和互斥处理。
生产者-消费者：通常使用受保护挂起模式来有效地处理等待的消费者和生产者。
退却：与受保护挂起类似，退却用于当线程检查条件，并且只有在条件有利时才继续执行；如果不是，则立即返回或退出。此模式通过管理基于立即条件检查的操作，而不是等待，来补充受保护挂起。