0 写在前面

终于，我们结束了OO第二个周期的作业，这几次作业也就是我们所早有耳闻的“电梯”作业。

现在就来写关于这几次作业的总结，主要会分析自己的设计方案和总体收获。

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1 多线程协同与同步控制（设计方案）

我的这三次作业都采用了多线程的方式来编码。主要是因为作为一名重修生（去年一些意外，放弃了OO），我早就知道电梯最后会演变成多电梯等。

其次就是，我也知道这次作业是为了锻炼我们的多线程编码能力、了解线程同步与安全设置的，所以我也从一开始就采用了多线程的设计。

我的程序主要分为几大部分，并且这几个部分也就是我的几个线程：

• 输入处理部分：使用给定的接口，处理输入的数据并将处理后的请求放入请求缓冲池中。
• 调度器部分：从请求缓冲池读取待处理请求，根据情况分给不同的电梯或者做其他处理后分给电梯（最后一次用到）。
• 电梯部分：每个电梯有自己的待处理请求池，电梯根据自己请求池内的人和自己的运行逻辑进行运行。

以上三个部分在前两次作业中为三线程，第三次作业中有三个电梯线程和前两个线程，共计五个线程。

1.1 多线程协同

这部分主要讲三个部分如何互相协助，完成任务。

我们称输入处理部分为InputHandler，调度器部分为Scheduler，电梯部分为Elevator。以前两次作业为例（第三次仅仅是增加两部电梯，和前两次没有本质区别）进行说明。

1.1.1 InputHandler

我的InputHanler参考了给出的demo，使用while-true循环的方式进行读输入，当读入为null（即没有后续请求）时break退出while循环，并且修改标志位通知其他线程后续将没有请求输入了。

InputHandler通过将读入的请求存入与调度器共用的缓冲池，实现告知调度器请求的目的。每当InputHandler读入一个请求时，将调用“缓冲池.notify”，试图将调度器唤醒，通知调度器有新的请求。

1.1.2 Scheduler

我的Scheduler也使用while-true循环，但是每次分配任务完成后会根据结束标志位判断自己应当结束或者wait（等待后续请求）。因此Scheduler将不会因为盲目while-true占用过多的CPU时间。

当有新的请求进入时，Scheduler将会因为"缓冲池.notify"而醒来，进行任务的分配。

电梯通过“注册”的方式进入Scheduler，即在主线程中new出来的电梯使用Scheduler的方法进行注册，Scheduler内部有一个注册列表，内有所有电梯。

每当Scheduler将某一任务分配给特定的电梯x时，将会调用“x.notify”以只叫醒x电梯。这样也不会叫醒无关电梯而导致CPU时间浪费。

当Scheduler分配所有任务完成时，如果发现InputHandler已经将结束标志位置为true，则自己也会退出while-true循环，并且将自己与电梯沟通的结束标志位置为true，然后遍历注册列表的所有电梯进行唤醒。

通过这样的方式，可以保证所有电梯都能正常接收到Scheduler发出的结束信号，避免了有的电梯无限wait无人叫醒的情况发生。

1.1.3 Elevator

我的Elevator也使用while-true循环，但是每当电梯内没有待执行任务时将会根据Scheduler发出的结束标志进行wait或者退出。因此Elevator也不会因为盲目while-true而占用过多CPU时间。

电梯运行算法主要参考了LOOK算法，LOOK算法是磁盘调度算法的一种，这里我根据磁盘调度的LOOK我模仿了一个电梯调度的LOOK算法；

我采用LOOK算法的原因有以下几条：

• 时间相对较短，即性能更好
• 比较符合我们日常生活中电梯的行为
• 不会出现饥饿显现（即某请求因为调度算法的原因产生长时间等待）

LOOK算法的具体实现就不在这里给出了，总之LOOK是和ALS稍有不同的一种算法，我个人认为LOOK算法在大量请求的情况下和ALS相比有较大的优势，因此采用了LOOK算法。

电梯将会在自己没有待处理任务时进入wait状态，并且会在自己收到任务时被叫醒。

电梯将会在自己没有待处理任务并且收到Scheduler的结束信号时结束，避免无限wait造成程序无法结束。

1.1.4 其他想说的

我的电梯在设计之初就采用了LOOK算法，这不仅仅是因为我早就猜到（知道）后续会需要捎带请求，更是因为我深知傻瓜电梯实际上是没有意义的，真正的电梯必须有自己的效率。

并且如果我第一次就写好LOOK算法的话后面就可以摸鱼了！

因此我的第五次作业就已经是LOOK算法的电梯了。拜此所赐，我第一周de了不少bug，但是后两周（尤其是第六次作业的时候）我确实轻松了不少。别的不少同学都需要重新思考自己的数据组织，而我除了加个ARRIVE几乎什么都不用干！

1.2 多线程同步（控制）

多线程程序面临的最大的问题之一就是线程同步。所谓线程同步就是所有线程对于共同的访问资源，需要同步信息。在多线程程序中，经常出现read-and-write等操作，因此需要注意共享资源的访问控制。

Java提供了synchronized关键字以实现简单的线程同步。我的程序中使用并且也只使用了synchronized关键字来实现这部分的需求。

在我的程序中，有两部分线程共享资源，一个是初始请求池，另一个是电梯待处理请求池。初始请求池可以由Scheduler和InputHandler操作，分别有读和写需求。

因此我在他们访问这一资源时首先使用synchronized关键字“锁住”这一资源，再对资源进行读写操作。

在电梯的待处理请求池的处理上，我也采用了类似的方式，即封装好的方法内部有synchronized关键字锁住的操作对象，以此保证线程安全。

1.3 自己的思考

在线程同步的学习中，关于需要考虑线程安全的地方，我自己总结了一下几个关键点：

• 不同线程访问（修改）同一共享资源
• 对于这次访问有迫切的绝对需要获得正确状态的需要

对于第一点，我们都可以很好地理解。但是对于第二点，我有自己的一些想法：

假设我们有两个人使用同一账户存取款，我们不妨设为A和B；A的操作是向账户里存入100元，B的操作只是读取账户内现有金额，并且在金额大于500时去吃饭。

根据上述设定，A线程的操作是不停向账户内存入100元，每存入一次休息一会；B线程的操作是不停访问账户，当金额大于500时去吃饭。

假设B对于去吃饭并没有迫切的需要，也就是说B并不会因为某次该读501时读到401而饿死，那么我认为B在访问账户内容的时候其实是不必上锁的。

也就是说，假设我们的线程对于某个共享资源的状态没有迫切的需要（即不是特别在意实时反应的那种），只是“日常访问”的话，那么其实对于读操作来说没有必要必须锁住共享对象。

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2 基于度量分析自己程序的结构

在这部分中，我们将第5、6、7次作业分别讨论。（长图警告！（也可能是长列表））

注：

• ev(G)  Essentail Complexity
• iv(G)   Design Complexity
• v(G)    圈复杂度

2.1 第五次作业——傻瓜电梯（我的是LOOK电梯）

2.1.1 复杂度分析

总体来看在几个比较大的方法的复杂度还是偏高的，值得反思，是否可以拆分为更多的方法？

2.1.2 类图

类图中可以看出，主要有三大线程，和Main线程。Main负责完成启动其余线程的工作。

StopFlag和Person是为了方便，自己封装的两个类。（StopFlag就是结束信号，Person是电梯内的人）

2.1.3 SOLID原则

SRP单一责任原则：实现较好

OCP开放封闭原则：实现较好

LSP历史替换原则：由于没有继承，不考虑

ISP接口分离原则：由于没有使用除Runnalbe以外的接口，不考虑

DIP依赖倒置原则：实现较好

2.2 第六次作业——ALS电梯（我的还是LOOK电梯）

2.2.1 复杂度分析

2.2.2 类图

2.2.3 SOLID原则

SRP单一责任原则：实现较好

OCP开放封闭原则：实现较好

LSP历史替换原则：由于没有继承，不考虑

ISP接口分离原则：由于没有使用除Runnalbe以外的接口，不考虑

DIP依赖倒置原则：实现较好

2.3 第七次作业——蛇皮电梯x3（我的是LOOK电梯x3）

2.3.1 复杂度分析

2.3.2 类图

2.3.3 SOLID原则

SRP单一责任原则：实现较好

OCP开放封闭原则：实现较好

LSP历史替换原则：由于没有继承，不考虑

ISP接口分离原则：由于没有使用除Runnalbe以外的接口，不考虑

DIP依赖倒置原则：实现较好

2.4 总结

实际上，我的三次作业的类就没有变过。所以三次的类图和SOLID分析是同样的。

主要是内部的方法实现发生了改变。不过实际上应该通过继承的方法来实现新的设计。

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3 分析自己程序的bug

实际上，我的程序bug基本都在自测阶段处理掉了。

不过，在强测和互测阶段出现过一个超时bug，原因是因为我的电梯在转向的过程中处理状态发生了问题（第二次电梯作业我做了少许修改，结果导致了这个bug）。

不过还是有很多已经被我私下处理掉的bug需要注意的，主要有一下几种：

• 过早停止的电梯拒载，解决方案：设置StopFlag和合适的算法，使电梯在执行完所有任务时才会停止；
• 电梯无限wait无法停止，解决方案：在Scheduler结束时叫醒所有电梯，防止电梯wait但是Scheduler停止，无人叫醒电梯导致bug；
• 早期实现中，我使用暴力轮训导致CPU超时，解决方案：使用notify-wait方式防止无用线程无限被调用，减少CPU时间

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4 分析自己发现别人bug采用的策略

实际上，我这几次作业并没有认真hack别人的电梯。一方面由于自己有很多其他事情要干，活跃度就交给roommate吧！另一方面是因为我真的不想hack了。

实际上我和别的同学交流过程中发现，不少bug都是由于线程安全导致的。对于此类bug，我们需要着重观察对方程序对于共享对象访问的处理。

另外还有一种bug就属于真正的程序逻辑bug，此类bug大多因为程序员设计漏洞导致。对于这种bug，我们需要真正理解对方想要实现的算法，并且把自己的思考和对方的实现进行对比来发现。

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5 心得体会

经历了电梯系列作业的洗礼，我们都有不少收获。

先说关于多线程编程调试的问题，多线程程序难就难在难以调试和复现bug。在这样的情况下更需要我们使用清晰的程序逻辑，方便自己通过“走查”的方式分析自己的bug。

多线程程序另一个重要的问题就是线程安全问题。我认为我们在做设计的时候有两种思路：

1. 使用自己封装（别人封装）的线程安全类
2. 在程序中注意线程安全，使用synchronized关键字等

我认为第一种方式是一种比较稳妥的方式，虽然我实际上是使用的第二种方法。事后我也考虑的自己的设计进行了反思。第一种确实是优于第二种的。

因为第一种线程安全类在使用的时候不是需要时刻注意的，并且是一种一劳永逸的方式。但是第二种在你编写新的部分的时候，必须也考虑其他线程是否会使用。

在设计原则上，我们应该坚持SOLID原则，因为这样的程序是易于维护、扩展的。另外我们应当善用单例模式、观察者模式、工厂模式等。以上几种模式都是为了更好地扩展维护的。

以上