Java中使用AtomicBoolean的循环调度算法

Question

当我向外部系统发送请求时，我想实施严格的循环调度。有两个外部系统服务器。第一个请求应该发送到“System1”，第二个请求必须发送到“System2”，下一个请求必须发送到“System1”，依此类推。

由于我只有两台服务器可以向其发送请求，并且我希望在没有任何阻塞和上下文切换的情况下获得最大性能，因此我选择了 AtomicBoolean，因为它使用了 CAS 操作。

我的实现类

1. RoundRobinTest.java

package com.concurrency;

import java.util.Iterator;

public class RoundRobinTest 
{
    public static void main(String[] args) 
    {
        for (int i = 0; i < 500; i++) 
        {
            new Thread(new RoundRobinLogic()).start();
        }
        try 
        {
            // Giving a few seconds for the threads to complete
            Thread.currentThread().sleep(2000);
            Iterator<String> output = RoundRobinLogic.output.iterator();
            int i=0;
            while (output.hasNext()) 
            {
                System.out.println(i+++":"+output.next());
                // Sleeping after each out.print 
                Thread.currentThread().sleep(20);
            }
        } 
        catch (Exception ex) 
        {
            // do nothing
        }
    }

}

2.RoundRobinLogic.java（具有静态 AtomicBoolean 对象的类）

package com.concurrency;

import java.util.Queue;
import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedDeque;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean;

public class RoundRobinLogic implements Runnable 
{
    private static AtomicBoolean bool = new AtomicBoolean(true);

    public static Queue<String> output = new ConcurrentLinkedDeque<>();

    @Override
    public void run() 
    {
        if(bool.getAndSet(false))
        {
            // Sending the request to first system
            output.add("Request to System1");
        }
        else if(!bool.getAndSet(true))
        {
            // Sending the request to first system
            output.add("Request to System2");
        }       
    }

}

输出：

---

......................
314:Request to System1
315:Request to System2
316:Request to System1
317:Request to System2
318:Request to System1
319:Request to System1
320:Request to System2
321:Request to System2
322:Request to System1
323:Request to System2
324:Request to System1
325:Request to System2
......................

---

请求 318 和 319 已发送到同一台服务器，在这种情况下 AtomicBoolean 失败。对于我的应用程序，一次可能有 1000-2000 个线程访问共享对象。 从 Java 并发实践中，我看到了以下内容。

在竞争激烈的情况下，锁定往往优于原子变量，但在更现实的情况下 争用级别原子变量优于锁。这是因为锁通过挂起线程对争用做出反应， 减少共享内存总线上的 CPU 使用率和同步流量。 对于低到中等的争用，原子提供了更好的可扩展性；竞争激烈，锁提供 更好地避免争用。 （基于 CAS 的算法在单 CPU 系统上也优于基于锁的算法，因为 CAS 总是在单个 CPU 系统上成功，除非在极少数情况下线程在中间被抢占。 读修改写操作。）

现在我有以下问题。

1. 有没有其他高效的非阻塞方式，实现轮询请求发送。
2. 在激烈的争论中，AtomicBoolean 是否有可能失败？我的理解是，性能/吞吐量可能会由于激烈的争用而下降。但是在上面的例子中 AtomicBoolean 失败了。为什么 ？

Answer 1

假设您使用的不是Queue，而是实际系统的api。我看到的问题与：

    if(bool.getAndSet(false))
    {
        // Sending the request to first system
        output.add("Request to System1");
    }
    else if(!bool.getAndSet(true))
    {
        // Sending the request to second system
        output.add("Request to System2");
    }     

如果两个条件都失败了怎么办？这怎么可能？想象一下，在输入第一个 if 时，布尔值是 true。然后您尝试将其设置为 false，但另一个线程击败了您，因此您看到了false。然后你试试else if。现在如果你到达那里时的else if 是假的，但设置为真，买另一个线程怎么办？在这种情况下，两次尝试都会失败。

我会将其重构为：

while(true){
  boolean current = bool.get();
  if(bool.compareAndSet(current, !current){
     if(current){ 
        //send request to first system
     } else {
        //send request to second system
     }
     return;
  }
}

---

正如 Sean Bright 所提到的，因为您正在添加到队列中，即使您像我上面那样实现它，您仍然可能会看到一些乱序的值，因为队列本身不是与 AtomicBoolean 同步的一部分。

Answer 2

除了约翰的回答之外，RoundRobinLogic 的更简洁且可能稍微更有效的实现将使用AtomicInteger 或AtomicLong。这消除了将AtomicBoolean 的当前值与新值进行比较的需要：

class RoundRobinLogic implements Runnable
{
    private static final AtomicInteger systemIndex = new AtomicInteger(1);

    public static final Queue<String> output = new ConcurrentLinkedDeque<>();

    @Override
    public void run()
    {
        if (systemIndex.incrementAndGet() % 2 == 0) {
            // Sending the request to first system
            output.add("Request to System1");
        } else {
            // Sending the request to second system
            output.add("Request to System2");
        }
    }
}

这将使您可以相当轻松地将其扩展到其他系统：

class RemoteSystem
{
    private final String name;

    RemoteSystem(String name)
    {
        this.name = name;
    }

    public String name()
    {
        return name;
    }
}

class RoundRobinLogic implements Runnable
{
    private static final AtomicInteger systemIndex = new AtomicInteger(1);

    private static final RemoteSystem[] systems = new RemoteSystem[] {
        new RemoteSystem("System1"),
        new RemoteSystem("System2"),
        new RemoteSystem("System3"),
        new RemoteSystem("System4"),
    };

    public static final Queue<String> output = new ConcurrentLinkedDeque<>();

    @Override
    public void run()
    {
        RemoteSystem system = systems[systemIndex.incrementAndGet() % systems.length];

        // Sending the request to right system
        output.add("Request to " + system.name());
    }
}

Answer 3

因为您的要求基本上是：实现一个原子操作

1. 评估和翻转布尔值（或在通用 n 服务器案例中评估模数并增加计数器）和
2. 根据步骤 1 的结果将条目插入队列，

您无法通过使第 1 步和第 2 步单独线程安全来真正实现这一点；您必须将第 1 步和第 2 步同步。

这是一个应该可以工作的简单实现：

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;

public class RoundRobinLogic implements Runnable 
{
    private static boolean bool = true;
    public static final Queue<String> OUTPUT = new LinkedList<String>();
    private static final Object LOCK = new Object();

    @Override
    public void run() {
        synchronized (LOCK) {
            OUTPUT.add(bool ? "Request to System1" : "Request to System2");
            bool = !bool;
        }
    }
}

关于您的问题：

1. 如果您需要同时同步两个高于处理器级别的操作，则无法避免阻塞。 java.util.concurrent.atomic 中的类使用机器级原子指令，这就是使用这些类的代码（通常取决于平台）不需要阻塞的原因。
2. 在您的实施中，AtomicBoolean 没有失败。相反，在读取布尔值和将元素添加到队列之间存在竞争条件。