从Exchager数据交换到基于trade-off的系统设计

可以使用JDK提供的Exchager类进行同步交换：进行数据交换的双方将互相等待对方，直到双方的数据都准备完毕，才进行交换。Exchager类很少用到，但理解数据交换的时机却十分重要，这是一个基于trade-off的系统设计。下述分析方法能扩展到诸多系统设计的场景中，帮助我们更好的进行trade-off。

《Java并发编程实战》中介绍了判定数据交换时机的两种方案，却不甚清晰。从“时机选择的目的”出发，实际上存在着三种方案，各方案又有优劣，从而产生了trade-off。本文比较了这三种方案，通过对数据交换时机的分析加强trade-off的意识。

定义

数据交换：在Exchanger的两方栅栏机制中，双方互相等待对方的数据。

如读线程在读取发生前持有“空缓存”，写线程在写入完成后持有“满缓冲”（“满”只表示写入完成），那么数据交换就是指将读线程的“空缓冲”与写线程的“满缓冲”交换。

方案比较

依据“时机选择的的目的”，存在三种方案：

方案1. 交换次数最少

从交换次数最少的目的出发，交换行为应该发生在缓冲满和缓冲空时，这两种情况下都不得不发生交换，以满足最低的响应需求。

缓冲满时（填充线程的缓冲），填充任务发现无法继续填充缓冲区，就发起交换，以减少数据（到空）继续填充；缓冲空时（清空线程的缓冲），清空任务发现无法继续清空，就发起交换，以增加数据（到满）继续清空。

也可以将实际的交换任务委派给专门的交换线程，填充任务和清空任务都向该线程申请执行交换。

方案2. 交换最及时（响应最及时）

从响应最及时的目的出发，交换行为应该发生在缓冲刚增加数据和缓冲刚减少数据时，以满足“存在数据即交换”的最高的响应需求。

这种方案相当于去掉了缓冲区。一方面，一旦缓存不空就立刻发生交换，交换后就没有了数据；另一方面，一旦缓存空就开始交换数据，交换后缓存就不空。看起来数据根本需要写入缓存就完成了交换。

也可以设置一个特别小的缓冲，比如1个字节。但交换区的缓冲减小，只会让交换双方各自维护的缓冲区加大。

方案3. 适度的交换频率和响应

很明显：交换次数最少的话，一些数据的处理过程就将延迟；响应最及时的话，交换频率太高，很浪费性能，甚至大型系统中耗电都会成为问题。

所以可采用折中的方案，达到适度的交换频率和响应：交换行为发生在缓冲被填充到一定程度并保持一定时间 t 后，同时一旦缓冲满或缓冲空就立即发生交换。

如果将时间 t 设置为 0，则退化为方案2；如果将时间 t 设置无穷大，则退化为方案1，从而既能兼容以上两种方案，又能根据实际响应需求静态配置，甚至根据实时的性能分析结果进行动态调整。

如果将Exchager比作“数据交换系统”，方案3即完成了对“数据交换系统”的trade-off，也就是基于成本（如耗电等）、收益（如延迟等）对系统设计作出的权衡、妥协。

总结

通过对三种Exchager数据交换时机的分析，加强了我们在系统设计中的trade-off意识。

《Java并发编程实战》中介绍了方案1和方案3。直接在书中看到方案1和方案3可能很难理解，但分析了上述trade-off过程后，就能轻松理解数据交换的时机了。

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本文链接：从Exchager数据交换到基于trade-off的系统设计
作者：猴子007
出处：https://monkeysayhi.github.io
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