妙啊，阻塞到底是個啥？黃袍加身，亦能談古說今
本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號「小姐姐味道」，作者小姐姐養(yǎng)的狗。轉(zhuǎn)載本文請聯(lián)系小姐姐味道公眾號。
現(xiàn)在，請記住你的身份!從進入本篇文章開始，你就是皇帝!三宮六院七十二妃，任君品嘗。
人有親疏遠近，事有輕重緩急。作為萬歲，你的時間非常寶貴。整個王朝都在你手中運算，方能國泰民安。
為了討論方便，我們把場景界限在單核CPU上。你就是CPU，當然是僅僅是一顆單核的CPU。
為了讓你更好的安排自己的時間，我將你的時間切割成了八九七十二份，每一份都彌足珍貴。
就憑我畫的這些密密麻麻的小方塊，你就應(yīng)該給xjjdog點下贊。
現(xiàn)實的CPU，時間片分的會更細，但作為人類你是理解不了那么小的時間間隔的：你可能每天都要花很多時間在吃喝拉撒上，但后宮里總有大部分希望得到你寵幸的妃子，你一點時間片都不留給她。
實在是忙不過來呀!需要一個太監(jiān)!
1. 中斷就是從中斷掉
不是讓太監(jiān)來幫你干活的，他沒有那個能力。太監(jiān)是用來給你調(diào)度工作的。
比如，有反叛的軍隊攻到了城外，太監(jiān)慌慌張張來報告，你就不得不暫停后宮的活動，提著褲子處理首要的問題;再比如，有剛來的妃子頻頻拋媚眼，但你還有一大堆公文要批，心有余而力不足。
這種處理問題的方式，就是中斷(從中斷掉就是太監(jiān))。中斷是指在CPU正常運行期間，由于內(nèi)外部事件或由程序預(yù)先安排的事件引起的 CPU 暫時停止正在運行的程序，轉(zhuǎn)而為該內(nèi)部或外部事件或預(yù)先安排的事件服務(wù)的程序中去，服務(wù)完畢后再返回去繼續(xù)運行被暫時中斷的程序。
我們來看下底層的中斷處理程序。
- request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags,
- const char *name, void *dev)
可以看到，太監(jiān)只需要給皇帝要做的事情，都編碼備案，并固定下處理流程，調(diào)整好優(yōu)先級，皇帝的時間片就可以有效的輪轉(zhuǎn)起來。不至于江山都丟了，還在后宮里風花雪月。
拿網(wǎng)絡(luò)傳輸來說，當有了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，就需要及時處理，否則客戶端會超時。這個時候，網(wǎng)卡會立馬發(fā)出中斷請求，CPU就會通過網(wǎng)卡的中斷程序去處理這些緩沖區(qū)。這都是非常重要的工作。
中斷又有硬中斷和軟中斷之分。硬中斷是由硬件產(chǎn)生的，比如，像磁盤，網(wǎng)卡，鍵盤，時鐘等。軟中斷是由當前正在運行的進程所產(chǎn)生的，通常優(yōu)先級比硬中斷低一些。
2. 阻塞會占用CPU么?
代入了皇帝這個身份，我們就可以解釋一些平常遇到的，令人疑惑的問題。
我們都見過在Concurent包下面，有一個叫做LinkedBlockingQeque的類。從它的名字就可以看出，這是一個阻塞隊列。實際上，它也并不是掛著羊頭賣狗肉。
如下面的代碼，我們通常把它放在循環(huán)中。我對while(true)這種東西是有心理陰影的，因為它有可能會跑滿你的CPU。
- while(true){
- Object o = linkedBlockingQeque.poll();
- }
但實際上，并不會。因為人家都說了，這是個阻塞隊列。
相似的，還有NIO中的select。把邏輯放在while循環(huán)里，不怕得報應(yīng)么?
- while (!stop) {
- int num = selector.select();
- if (num == 0) {
- continue;
- }
- Iterator<SelectionKey> events = selector.selectedKeys().iterator();
- }
這還真不怕。因為阻塞并不會占用任何資源。
比如，小太監(jiān)上報了一個折子，是關(guān)于呂嬪妃的舅舅的貪污問題處理。但是這個問題，需要等待司法調(diào)查的結(jié)果，還需要聽聽愛妃的意見，就先可以把它擱置在一旁。
把問題記錄在一個其他的小冊子里，等這些依賴的事辦的差不多了，同時你又有龍時，那就可以繼續(xù)處理。
可以看到，這種阻塞性的問題，雖然是個任務(wù)，但并不會占用你的任何時間，這在計算機中是一樣的。
我們來看一下常見的Java阻塞方式。
sleep和wait
睡和等。用詞很巧妙，到底妙在哪呢?因為它是現(xiàn)實中的場景。
sleep
sleep函數(shù)會讓線程在一定的時間內(nèi)進入阻塞狀態(tài)，不能得到cpu時間，但不會釋放鎖資源。指定的時間一過，線程重新進入可執(zhí)行狀態(tài)。
注意我們這里說的是線程，并不是CPU本身。線程不活動了，并不代表CPU不能干其他事情。
比如，今天是接見大臣的黃道吉日，王天師得到了接見的機會，其他的大臣們就得在外面等著被傳喚。結(jié)果王天師的談話又臭又長，勾不起你的任何興趣。正好小太監(jiān)急匆匆跑來，在你耳邊悄悄說：李貴妃生了個兒子!
這是讓人振奮的事情，因為其他兒子都在宮斗中被KO了。于是你裝模作樣的對王天師說：我現(xiàn)在有點頭痛，需要小憩一會兒。” 其實你已經(jīng)偷偷去探望李貴妃了。
注意，這個時候，王天師只能唯唯諾諾的等著。對于“接見”這個主線來說，其他的大臣也只能在外面等著被傳喚。它們都沒有拿到“接見”這把鎖，王天師也一直占用著這把鎖，直到你看完了兒子歸來。
這就是sleep不釋放鎖的意思，因為sleep后，在sleep那一瞬間的任何東西都沒有改變。
wait
wait( ) 使線程進入阻塞狀態(tài)，同時釋放自己占有的鎖資源，和notify( )搭配使用。
對于wait來說，就完全不一樣了。
如圖，每個監(jiān)視器(Monitor)在某個時刻，只能被一個線程擁有，該線程就是 “Active Thread”。而其它線程都是 “Waiting Thread”，分別在兩個隊列 “ Entry Set”和 “Wait Set”里面等候。在 “Entry Set”中等待的線程狀態(tài)是 “Waiting for monitor entry”，而在 “Wait Set”中等待的線程狀態(tài)是 “in Object.wait()”。
術(shù)語難以理解，還是以皇帝的身份來瀟灑一下。
這個時候，你還打算接見大臣。不過，現(xiàn)在不想再one by one了，因為這太低效太枯燥了。某個大臣在你的書房里待得長了些，就有可能有大臣懷疑你在搞gay，這種副作用讓人心里不悅。
p2p不行，那就聚在一塊談?wù)勑陌伞?/p>
正在和你談話的是王天師，因為這貨話比較多，你也比較喜歡他。
王天師說：小太子出生在三伏天，就叫史三伏吧!。
你這才想起自己姓史。作為熟讀文章的皇帝，你對此嗤之以鼻，聽著這不入流的名字，還隱隱有點生氣。
王愛卿，你還是先wait一下吧，聽聽別人意見。
這個時候，一大堆等著拍馬屁的大臣開始舉手，躍躍欲試。劉道長搶到了 談話主線 這把鎖。
劉道長： 天地長久，人有終時，北冥有魚，其名為鯤，可活億年。我看，就叫史鯤吧。
你聽后微微頷首，果然仙人嘴下口水香，但總感覺有點怪異。
注意注意。等著發(fā)言的這群大臣，就叫做Entry Set，誰舉手舉得快，就可以回答這個問題。
像王天師這種被喊停的大臣，就屬于Wait Set，只有你重新讓他說話，他才有機會。
這整個過程，談話是可以繼續(xù)的，并不因為王天師被禁言了談話就無法進行下去。我們就可以說，wait操作是釋放了對象鎖的。
計算機中各種所謂的阻塞，都是通過劃分不同的隊列資源進行處理。比如epoll就是圍繞著工作隊列和等待隊列進行編程的。雖然底層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有些不同，但思想都是一樣的。
線程如何獲取時間片?
這個不容易回答，因為你需要知道一個事實：Java中的線程，在Linux上本質(zhì)是一個輕量級進程，它的調(diào)度都是操作系統(tǒng)來完成的。
可以看一下我們最上面那一副讓人容易產(chǎn)生密集恐懼癥的圖片。我們的CPU時間，就劃分為多個CPU時間片。你的程序雖然在執(zhí)行while(true)，但不代表它總能夠得到CPU資源，所以其他的進程也有機會去執(zhí)行。
JVM采用搶占式調(diào)度模型，指的是讓優(yōu)先級高的線程占用比較多的CPU，如果線程優(yōu)先級相同，那么就隨機選擇一個線程，使其占用CPU。
注意“隨機”這兩個字，就非常的有魔性。它可以讓你每天都中100萬的彩票，也可能每天喝水都被嗆著。
可憐的計算機系統(tǒng)，也參與到大千世界讓人無奈的隨機命運而來。
但有一種很霸道的任務(wù)，對CPU一搶一個準，那就是我們上面提到的硬中斷--那些不得不優(yōu)先處理的事情。
下輩子投胎，就當個硬中斷吧(囧)。
快來點贊累加你的幸運值吧 :)。
作者簡介：小姐姐味道 (xjjdog)，一個不允許程序員走彎路的公眾號。聚焦基礎(chǔ)架構(gòu)和Linux。十年架構(gòu)，日百億流量，與你探討高并發(fā)世界，給你不一樣的味道。我的個人微信xjjdog0，歡迎添加好友，進一步交流。
