并发编程 (15)Lock和Condition（下）：Dubbo如何用管程实现异步转同步？

逃离我推掉我的手 2023-06-20 06:13 108阅读 0赞

在上一篇文章中，我们讲到 Java SDK 并发包里的 Lock 有别于 synchronized 隐式锁的三个特性：能够响应中断、支持超时和非阻塞地获取锁。那今天我们接着再来详细聊聊 Java SDK 并发包里的 Condition，**Condition 实现了管程模型里面的条件变量**。

在[《**并发编程(9)管程：并发编程的万能钥匙**》][9]里我们提到过 Java 语言内置的管程里只有一个条件变量，而 Lock&Condition 实现的管程是支持多个条件变量的，这是二者的一个重要区别。

在很多并发场景下，支持多个条件变量能够让我们的并发程序可读性更好，实现起来也更容易。例如，实现一个阻塞队列，就需要两个条件变量。

**那如何利用两个条件变量快速实现阻塞队列呢？**

一个阻塞队列，需要两个条件变量，一个是队列不空（空队列不允许出队），另一个是队列不满（队列已满不允许入队），这个例子我们前面在介绍[管程][9]的时候详细说过，这里就不再赘述。相关的代码，我这里重新列了出来，你可以温故知新一下。

public class BlockedQueue<T>{ 
      final Lock lock =
        new ReentrantLock();
      // 条件变量：队列不满 
      final Condition notFull =
        lock.newCondition();
      // 条件变量：队列不空 
      final Condition notEmpty =
        lock.newCondition();
     
      // 入队
      void enq(T x) { 
        lock.lock();
        try { 
          while (队列已满){ 
            // 等待队列不满
            notFull.await();
          }  
          // 省略入队操作...
          // 入队后, 通知可出队
          notEmpty.signal();
        }finally { 
          lock.unlock();
        }
      }
      // 出队
      void deq(){ 
        lock.lock();
        try { 
          while (队列已空){ 
            // 等待队列不空
            notEmpty.await();
          }  
          // 省略出队操作...
          // 出队后，通知可入队
          notFull.signal();
        }finally { 
          lock.unlock();
        }  
      }
    }

不过，这里你需要注意，Lock 和 Condition 实现的管程，**线程等待和通知需要调用 await()、signal()、signalAll()**，它们的语义和 wait()、notify()、notifyAll() 是相同的。但是不一样的是，Lock&Condition 实现的管程里只能使用前面的 await()、signal()、signalAll()，而后面的 wait()、notify()、notifyAll() 只有在 synchronized 实现的管程里才能使用。如果一不小心在 Lock&Condition 实现的管程里调用了 wait()、notify()、notifyAll()，那程序可就彻底玩儿完了。

Java SDK 并发包里的 Lock 和 Condition 不过就是管程的一种实现而已，管程你已经很熟悉了，那 Lock 和 Condition 的使用自然是小菜一碟。下面我们就来看看在知名项目 Dubbo 中，Lock 和 Condition 是怎么用的。不过在开始介绍源码之前，我还先要介绍两个概念：同步和异步。

## 同步与异步 ##

我们平时写的代码，基本都是同步的。但最近几年，异步编程大火。那同步和异步的区别到底是什么呢？**通俗点来讲就是调用方是否需要等待结果，如果需要等待结果，就是同步；如果不需要等待结果，就是异步**。

比如在下面的代码里，有一个计算圆周率小数点后 100 万位的方法`pai1M()`，这个方法可能需要执行俩礼拜，如果调用`pai1M()`之后，线程一直等着计算结果，等俩礼拜之后结果返回，就可以执行 `printf("hello world")`了，这个属于同步；如果调用`pai1M()`之后，线程不用等待计算结果，立刻就可以执行 `printf("hello world")`，这个就属于异步。

// 计算圆周率小说点后 100 万位 
    String pai1M() { 
      // 省略代码无数
    }
     
    pai1M()
    printf("hello world")

同步，是 Java 代码默认的处理方式。如果你想让你的程序支持异步，可以通过下面两种方式来实现：

1.  调用方创建一个子线程，在子线程中执行方法调用，这种调用我们称为异步调用；
2.  方法实现的时候，创建一个新的线程执行主要逻辑，主线程直接 return，这种方法我们一般称为异步方法。

## Dubbo 源码分析 ##

> 具体实现 – [简单理解一个dubbo服务的完整调用过程][dubbo]

其实在编程领域，异步的场景还是挺多的，比如 TCP 协议本身就是异步的，我们工作中经常用到的 RPC 调用，**在 TCP 协议层面，发送完 RPC 请求后，线程是不会等待 RPC 的响应结果的**。可能你会觉得奇怪，平时工作中的 RPC 调用大多数都是同步的啊？这是怎么回事呢？

其实很简单，一定是有人帮你做了异步转同步的事情。例如目前知名的 RPC 框架 Dubbo 就给我们做了异步转同步的事情，那它是怎么做的呢？下面我们就来分析一下 Dubbo 的相关源码。

对于下面一个简单的 RPC 调用，默认情况下 sayHello() 方法，是个同步方法，也就是说，执行 service.sayHello(“dubbo”) 的时候，线程会停下来等结果。

DemoService service = 初始化部分省略
    String message = 
      service.sayHello("dubbo");
    System.out.println(message);

如果此时你将调用线程 dump 出来的话，会是下图这个样子，你会发现调用线程阻塞了，线程状态是 TIMED\_WAITING。本来发送请求是异步的，但是调用线程却阻塞了，说明 Dubbo 帮我们做了异步转同步的事情。通过调用栈，你能看到线程是阻塞在 DefaultFuture.get() 方法上，所以可以推断：Dubbo 异步转同步的功能应该是通过 DefaultFuture 这个类实现的。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2Nvd2JpbjIwMTI_size_16_color_FFFFFF_t_70]

不过为了理清前后关系，还是有必要分析一下调用 DefaultFuture.get() 之前发生了什么。DubboInvoker 的 108 行调用了 DefaultFuture.get()，这一行很关键，我稍微修改了一下列在了下面。这一行先调用了 request(inv, timeout) 方法，这个方法其实就是发送 RPC 请求，之后通过调用 get() 方法等待 RPC 返回结果。

public class DubboInvoker{ 
      Result doInvoke(Invocation inv){ 
        // 下面这行就是源码中 108 行
        // 为了便于展示，做了修改
        return currentClient 
          .request(inv, timeout)
          .get();
      }
    }

DefaultFuture 这个类是很关键，我把相关的代码精简之后，列到了下面。不过在看代码之前，你还是有必要重复一下我们的需求：当 RPC 返回结果之前，阻塞调用线程，让调用线程等待；当 RPC 返回结果后，唤醒调用线程，让调用线程重新执行。不知道你有没有似曾相识的感觉，这不就是经典的等待 - 通知机制吗？这个时候想必你的脑海里应该能够浮现出管程的解决方案了。有了自己的方案之后，我们再来看看 Dubbo 是怎么实现的。

// 创建锁与条件变量
    private final Lock lock 
        = new ReentrantLock();
    private final Condition done 
        = lock.newCondition();
     
    // 调用方通过该方法等待结果
    Object get(int timeout){ 
      long start = System.nanoTime();
      lock.lock();
      try { 
    	while (!isDone()) { 
    	  done.await(timeout);
          long cur=System.nanoTime();
    	  if (isDone() || 
              cur-start > timeout){ 
    	    break;
    	  }
    	}
      } finally { 
    	lock.unlock();
      }
      if (!isDone()) { 
    	throw new TimeoutException();
      }
      return returnFromResponse();
    }
    // RPC 结果是否已经返回
    boolean isDone() { 
      return response != null;
    }
    // RPC 结果返回时调用该方法 
    private void doReceived(Response res) { 
      lock.lock();
      try { 
        response = res;
        if (done != null) { 
          done.signal();
        }
      } finally { 
        lock.unlock();
      }
    }

调用线程通过调用 get() 方法等待 RPC 返回结果，这个方法里面，你看到的都是熟悉的“面孔”：调用 lock() 获取锁，在 finally 里面调用 unlock() 释放锁；获取锁后，通过经典的在循环中调用 await() 方法来实现等待。

当 RPC 结果返回时，会调用 doReceived() 方法，这个方法里面，调用 lock() 获取锁，在 finally 里面调用 unlock() 释放锁，获取锁后通过调用 signal() 来通知调用线程，结果已经返回，不用继续等待了。

至此，Dubbo 里面的异步转同步的源码就分析完了，有没有觉得还挺简单的？最近这几年，工作中需要异步处理的越来越多了，其中有一个主要原因就是有些 API 本身就是异步 API。例如 websocket 也是一个异步的通信协议，如果基于这个协议实现一个简单的 RPC，你也会遇到异步转同步的问题。现在很多公有云的 API 本身也是异步的，例如创建云主机，就是一个异步的 API，调用虽然成功了，但是云主机并没有创建成功，你需要调用另外一个 API 去轮询云主机的状态。如果你需要在项目内部封装创建云主机的 API，你也会面临异步转同步的问题，因为同步的 API 更易用。

## 总结 ##

Lock&Condition 是管程的一种实现，所以能否用好 Lock 和 Condition 要看你对管程模型理解得怎么样。管程的技术前面我们已经专门用了一篇文章做了介绍，你可以结合着来学，理论联系实践，有助于加深理解。

Lock&Condition 实现的管程相对于 synchronized 实现的管程来说更加灵活、功能也更丰富。

结合我自己的经验，我认为了解原理比了解实现更能让你快速学好并发编程，所以没有介绍太多 Java SDK 并发包里锁和条件变量是如何实现的。但如果你对实现感兴趣，可以参考《Java 并发编程的艺术》一书的第 5 章《Java 中的锁》，里面详细介绍了实现原理，我觉得写得非常好。

另外，专栏里对 DefaultFuture 的代码缩减了很多，如果你感兴趣，也可以去看看完整版。  
Dubbo 的源代码在[Github 上][Github]，DefaultFuture 的路径是：incubator-dubbo/dubbo-remoting/dubbo-remoting-api/src/main/java/org/apache/dubbo/remoting/exchange/support/DefaultFuture.java。

[9]: https://blog.csdn.net/cowbin2012/article/details/103440801
[dubbo]: https://blog.csdn.net/cowbin2012/article/details/103443878
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[Github]: https://github.com/apache/incubator-dubbo