编写多线程的Java应用程序-如何避免当前编程中最常见的问题（2）
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作者：爱心 来源：爱心 加入时间：2006年01月26日 |
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编写多线程的Java应用程序-如何避免当前编程中最常见的问题（2）
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编写多线程的Java应用程序-如何避免当前编程中最常见的问题（2）
信号量
通常情况下，可能有多个线程需要访问数目很少的资源。假想在服务器上运行着若干个回答客户端请求的线程。这些线程需要连接到同一数据库，但任一时刻只能获得一定数目的数据库连接。你要怎样才能够有效地将这些固定数目的数据库连接分配给大量的线程？一种控制访问一组资源的方法（除了简单地上锁之外），就是使用众所周知的信号量计数 (counting semaphore)。信号量计数将一组可获得资源的管理封装起来。信号量是在简单上锁的基础上实现的,相当于能令线程安全执行，并初始化为可用资源个数的计数器。例如我们可以将一个信号量初始化为可获得的数据库连接个数。一旦某个线程获得了信号量，可获得的数据库连接数减一。线程消耗完资源并释放该资源时，计数器就会加一。当信号量控制的所有资源都已被占用时，若有线程试图访问此信号量，则会进入阻塞状态，直到有可用资源被释放。
信号量最常见的用法是解决“消费者－生产者问题”。当一个线程进行工作时，若另外一个线程访问同一共享变量，就可能产生此问题。消费者线程只能在生产者线程完成生产后才能够访问数据。使用信号量来解决这个问题，就需要创建一个初始化为零的信号量，从而让消费者线程访问此信号量时发生阻塞。每当完成单位工作时，生产者线程就会向该信号量发信号（释放资源）。每当消费者线程消费了单位生产结果并需要新的数据单元时，它就会试图再次获取信号量。因此信号量的值就总是等于生产完毕可供消费的数据单元数。这种方法比采用消费者线程不停检查是否有可用数据单元的方法要高效得多。因为消费者线程醒来后，倘若没有找到可用的数据单元，就会再度进入睡眠状态，这样的操作系统开销是非常昂贵的。
尽管信号量并未直接被 Java 语言所支持，却很容易在给对象上锁的基础上实现。一个简单的实现方法如下所示：
class Semaphore {
private int count;
public Semaphore(int n) {
this.count = n;
}
public synchronized void acquire() {
while(count == 0) {
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {
//keep trying
}
}
count--;
}
public synchronized void release() {
count++;
notify(); //alert a thread that´s blocking on this semaphore
}
}
常见的上锁问题
不幸的是，使用上锁会带来其他问题。让我们来看一些常见问题以及相应的解决方法：
死锁。死锁是一个经典的多线程问题，因为不同的线程都在等待那些根本不可能被释放的锁，从而导致所有的工作都无法完成。假设有两个线程，分别代表两个饥饿的人，他们必须共享刀叉并轮流吃饭。他们都需要获得两个锁：共享刀和共享叉的锁。假如线程 "A" 获得了刀，而线程 "B" 获得了叉。线程 A 就会进入阻塞状态来等待获得叉，而线程 B 则阻塞来等待 A 所拥有的刀。这只是人为设计的例子，但尽管在运行时很难探测到，这类情况却时常发生。虽然要探测或推敲各种情况是非常困难的，但只要按照下面几条规则去设计系统，就能够避免死锁问题：
让所有的线程按照同样的顺序获得一组锁。这种方法消除了 X 和 Y 的拥有者分别等待对方的资源的问题。
将多个锁组成一组并放到同一个锁下。前面死锁的例子中，可以创建一个银器对象的锁。于是在获得刀或叉之前都必须获得这个银器的锁。
将那些不会阻塞的可获得资源用变量标志出来。当某个线程获得银器对象的锁时，就可以通过检查变量来判断是否整个银器集合中的对象锁都可获得。如果是，它就可以获得相关的锁，否则，就要释放掉银器这个锁并稍后再尝试。
最重要的是，在编写代码前认真仔细地设计整个系统。多线程是困难的，在开始编程之前详细设计系统能够帮助你避免难以发现死锁的问题。
Volatile 变量. volatile 关键字是 Java 语言为优化编译器设计的。以下面的代码为例：
class VolatileTest {
public void foo() {
boolean flag = false;
if(flag) {
//this could happen
}
}
}
一个优化的编译器可能会判断出 if 部分的语句永远不会被执行，就根本不会编译这部分的代码。如果这个类被多线程访问，flag 被前面某个线程设置之后，在它被 if 语句测试之前，可以被其他线程重新设置。用 volatile 关键字来声明变量，就可以告诉编译器在编译的时候，不需要通过预测变量值来优化这部分的代码。
无法访问的线程 有时候虽然获取对象锁没有问题，线程依然有可能进入阻塞状态。在 Java 编程中 IO 就是这类问题最好的例子。当线程因为对象内的 IO 调用而阻塞时，此对象应当仍能被其他线程访问。该对象通常有责任取消这个阻塞的 IO 操作。造成阻塞调用的线程常常会令同步任务失败。如果该对象的其他方法也是同步的，当线程被阻塞时，此对象也就相当于被冷冻住了。其他的线程由于不能获得对象的锁，就不能给此对象发消息（例如，取消 IO 操作）。必须确保不在同步代码中包含那些阻塞调用，或确认在一个用同步阻塞代码的对象中存在非同步方法。尽管这种方法需要花费一些注意力来保证结果代码安全运行，但它允许在拥有对象的线程发生阻塞后，该对象仍能够响应其他线程。
为不同的线程模型进行设计
判断是抢占式还是协作式的线程模型，取决于虚拟机的实现者，并根据各种实现而不同。因此，Java 开发员必须编写那些能够在两种模型上工作的程序。
正如前面所提到的，在抢占式模型中线程可以在代码的任何一个部分的中间被打断，除非那是一个原子操作代码块。原子操作代码块中的代码段一旦开始执行，就要在该线程被换出处理器之前执行完毕。在 Java 编程中，分配一个小于 32 位的变量空间是一种原子操作，而此外象 double 和 long 这两个 64 位数据类型的分配就不是原子的。使用锁来正确同步共享资源的访问，就足以保证一个多线程程序在抢占式模型下正确工作。
而在协作式模型中，是否能保证线程正常放弃处理器，不掠夺其他线程的执行时间，则完全取决于程序员。调用 yield() 方法能够将当前的线程从处理器中移出到准备就绪队列中。另一个方法则是调用 sleep() 方法，使线程放弃处理器，并且在 sleep 方法中指定的时间间隔内睡眠。
正如你所想的那样，将这些方法随意放在代码的某个地方，并不能够保证正常工作。如果线程正拥有一个锁（因为它在一个同步方法或代码块中），则当它调用 yield() 时不能够释放这个锁。这就意味着即使这个线程已经被挂起，等待这个锁释放的其他线程依然不能继续运行。为了缓解这个问题，最好不在同步方法中调用 yield 方法。将那些需要同步的代码包在一个同步块中，里面不含有非同步的方法，并且在这些同步代码块之外才调用 yield。
另外一个解决方法则是调用 wait() 方法，使处理器放弃它当前拥有的对象的锁。如果对象在方法级别上使同步的，这种方法能够很好的工作。因为它仅仅使用了一个锁。如果它使用 fine-grained 锁，则 wait() 将无法放弃这些锁。此外，一个因为调用 wait() 方法而阻塞的线程，只有当其他线程调用 notifyAll() 时才会被唤醒。
线程和 AWT/Swing
在那些使用 Swing 和/或 AWT 包创建 GUI （用户图形界面）的 Java 程序中，AWT 事件句柄在它自己的线程中运行。开发员必须注意避免将这些 GUI 线程与较耗时间的计算工作绑在一起，因为这些线程必须负责处理用户时间并重绘用户图形界面。换句话来说，一旦 GUI 线程处于繁忙，整个程序看起来就象无响应状态。Swing 线程通过调用合适方法，通知那些 Swing callback （例如 Mouse Listener 和 Action Listener ）。 这种方法意味着 listener 无论要做多少事情，都应当利用 listener callback 方法产生其他线程来完成此项工作。目的便在于让 listener callback 更快速返回，从而允许 Swing 线程响应其他事件。
如果一个 Swing 线程不能够同步运行、响应事件并重绘输出，那怎么能够让其他的线程安全地修改 Swing 的状态？正如上面提到的，Swing callback 在 Swing 线程中运行。因此他们能修改 Swing 数据并绘到屏幕上。
但是如果不是 Swing callback 产生的变化该怎么办呢？使用一个非 Swing 线程来修改 Swing 数据是不安全的。Swing 提供了两个方法来解决这个问题：invokeLater() 和 invokeAndWait()。为了修改 Swing 状态，只要简单地调用其中一个方法，让 Runnable 的对象来做这些工作。因为 Runnable 对象通常就是它们自身的线程，你可能会认为这些对象会作为线程来执行。但那样做其实也是不安全的。事实上，Swing 会将这些对象放到队列中，并在将来某个时刻执行它的 run 方法。这样才能够安全修改 Swing 状态。
总结
Java 语言的设计，使得多线程对几乎所有的 Applet 都是必要的。特别是，IO 和 GUI 编程都需要多线程来为用户提供完美的体验。如果依照本文所提到的若干基本规则，并在开始编程前仔细设计系统??包括它对共享资源的访问等，你就可以避免许多常见和难以发觉的线程陷阱。
资料
参考 Java 2 平台上的 API 规范说明书（1.3 版标准）：Java 2 API 文档.
更多关于 JVM 对线程和上锁处理的信息，可以参阅 Java 虚拟机规范说明书.
Allen Holub 的 Taming Java Threads (APress, June 2000) 是一本极好的参考书
你可能还希望阅读 Allen 的文章 如果我是国王：关于解决 Java 编程语言线程问题的建议 (developerWorks, October 2000), 里面阐述了一些被他称为“一门伟大语言最虚弱之处”的问题。 |
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