2000 年 4 月 01 日
在語言級支持鎖定對象和線程間發(fā)信使編寫線程安全類變得簡單。本文使用簡單的編程示例來說明開發(fā)高效的線程安全類是多么有效而直觀。
Java 編程語言為編寫多線程應(yīng)用程序提供強(qiáng)大的語言支持。但是，編寫有用的、沒有錯(cuò)誤的多線程程序仍然比較困難。本文試圖概述幾種方法，程序員可用這幾種方法來創(chuàng)建高效的線程安全類。
并發(fā)性
只有當(dāng)要解決的問題需要一定程度的并發(fā)性時(shí)，程序員才會(huì)從多線程應(yīng)用程序中受益。例如，如果打印隊(duì)列應(yīng)用程序僅支持一臺(tái)打印機(jī)和一臺(tái)客戶機(jī)，則不應(yīng)該將它編寫為多線程的。一般說來，包含并發(fā)性的編碼問題通常都包含一些可以并發(fā)執(zhí)行的操作，同時(shí)也包含一些不可并發(fā)執(zhí)行的操作。例如，為多個(gè)客戶機(jī)和一個(gè)打印機(jī)提供服務(wù)的打印隊(duì)列可以支持對打印的并發(fā)請求，但向打印機(jī)的輸出必須是串行形式的。多線程實(shí)現(xiàn)還可以改善交互式應(yīng)用程序的響應(yīng)時(shí)間。
Synchronized 關(guān)鍵字
雖然多線程應(yīng)用程序中的大多數(shù)操作都可以并行進(jìn)行，但也有某些操作（如更新全局標(biāo)志或處理共享文件）不能并行進(jìn)行。在這些情況下，必須獲得一個(gè)鎖來防止其他線程在執(zhí)行此操作的線程完成之前訪問同一個(gè)方法。在 Java 程序中，這個(gè)鎖是通過 synchronized 關(guān)鍵字提供的。清單 1 說明了它的用法。
清單 1. 使用 synchronized 關(guān)鍵字來獲取鎖
public class MaxScore { int max; public MaxScore() { max = 0; } public synchronized void currentScore(int s) { if(s> max) { max = s; } } public int max() { return max; } } |
這里，兩個(gè)線程不能同時(shí)調(diào)用 currentScore() 方法；當(dāng)一個(gè)線程工作時(shí)，另一個(gè)線程必須阻塞。但是，可以有任意數(shù)量的線程同時(shí)通過 max() 方法訪問最大值，因?yàn)?span lang="EN-US"> max() 不是同步方法，因此它與鎖定無關(guān)。
試考慮在 MaxScore 類中添加另一個(gè)方法的影響，該方法的實(shí)現(xiàn)如清單 2 所示。
清單 2. 添加另一個(gè)方法
public synchronized void reset() { max = 0; } |
這個(gè)方法（當(dāng)被訪問時(shí)）不僅將阻塞 reset() 方法的其他調(diào)用，而且也將阻塞 MaxScore 類的同一個(gè)實(shí)例中的 currentScore() 方法，因?yàn)檫@兩個(gè)方法都訪問同一個(gè)鎖。如果兩個(gè)方法必須不彼此阻塞，則程序員必須在更低的級別使用同步。清單 3 是另一種情況，其中兩個(gè)同步的方法可能需要彼此獨(dú)立。
清單 3. 兩個(gè)獨(dú)立的同步方法
import java.util.*; public class Jury { Vector members; Vector alternates; public Jury() { members = new Vector(12, 1); alternates = new Vector(12, 1); } public synchronized void addMember(String name) { members.add(name); } public synchronized void addAlt(String name) { alternates.add(name); } public synchronized Vector all() { Vector retval = new Vector(members); retval.addAll(alternates); return retval; } } |
此處，兩個(gè)不同的線程可以將 members 和 alternates 添加到 Jury 對象中。請記住， synchronized 關(guān)鍵字既可用于方法，更一般地，也可用于任何代碼塊。清單 4 中的兩段代碼是等效的。
清單 4. 等效的代碼
synchronized void f() { void f() { // 執(zhí)行某些操作 synchronized(this) {} // 執(zhí)行某些操作 } } |
所以，為了確保 addMember() 和 addAlt() 方法不彼此阻塞，可按清單 5 所示重寫 Jury 類。
清單 5. 重寫后的 Jury 類
import java.util.*; public class Jury { Vector members; Vector alternates; public Jury() { members = new Vector(12, 1); alternates = new Vector(12, 1); } public void addMember(String name) { synchronized(members) { members.add(name); } } public void addAlt(String name) { synchronized(alternates) { alternates.add(name); } } public Vector all() { Vector retval; synchronized(members) { retval = new Vector(members); } synchronized(alternates) { retval.addAll(alternates); } return retval; } } |
請注意，我們還必須修改 all() 方法，因?yàn)閷?span lang="EN-US"> Jury 對象同步已沒有意義。在改寫后的版本中，addMember()、addAlt() 和 all() 方法只訪問與 members 和 alternates 對象相關(guān)的鎖，因此鎖定 Jury 對象毫無用處。另請注意，all() 方法本來可以寫為清單 6 所示的形式。
清單 6. 將 members 和 alternates 用作同步的對象
public Vector all() { synchronized(members) { synchronized(alternates) { Vector retval; retval = new Vector(members); retval.addAll(alternates); } } return retval; } |
但是，因?yàn)槲覀冊缭谛枰熬瞳@得 members 和 alternates 的鎖，所以這效率不高。清單 5 中的改寫形式是一個(gè)較好的示例，因?yàn)樗辉谧疃痰臅r(shí)間內(nèi)持有鎖，并且每次只獲得一個(gè)鎖。這樣就完全避免了當(dāng)以后增加代碼時(shí)可能產(chǎn)生的潛在死鎖問題。
同步方法的分解
正如在前面看到的那樣，同步方法獲取對象的一個(gè)鎖。如果該方法由不同的線程頻繁調(diào)用，則此方法將成為瓶頸，因?yàn)樗鼤?huì)對并行性造成限制，從而會(huì)對效率造成限制。這樣，作為一個(gè)一般的原則，應(yīng)該盡可能地少用同步方法。盡管有這個(gè)原則，但有時(shí)一個(gè)方法可能需要完成需要鎖定一個(gè)對象幾項(xiàng)任務(wù)，同時(shí)還要完成相當(dāng)耗時(shí)的其他任務(wù)。在這些情況下，可使用一個(gè)動(dòng)態(tài)的“鎖定-釋放-鎖定-釋放”方法。例如，清單 7 和清單 8 顯示了可按這種方式變換的代碼。
清單 7. 最初的低效率代碼
public synchonized void doWork() { unsafe1(); write_file(); unsafe2(); } |
清單 8. 重寫后效率較高的代碼
public void doWork() { synchonized(this) { unsafe1(); } write_file(); synchonized(this) { unsafe2(); } } |
清單 7 和清單 8 假定第一個(gè)和第三個(gè)方法需要對象被鎖定，而更耗時(shí)的 write_file() 方法不需要對象被鎖定。如您所見，重寫此方法以后，對此對象的鎖在第一個(gè)方法完成以后被釋放，然后在第三個(gè)方法需要時(shí)重新獲得。這樣，當(dāng) write_file() 方法執(zhí)行時(shí)，等待此對象的鎖的任何其他方法仍然可以運(yùn)行。將同步方法分解為這種混合代碼可以明顯改善性能。但是，您需要注意不要在這種代碼中引入邏輯錯(cuò)誤。
嵌套類
內(nèi)部類在 Java 程序中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)令人關(guān)注的概念，它允許將整個(gè)類嵌套在另一個(gè)類中。嵌套類作為包含它的類的一個(gè)成員變量。如果定期被調(diào)用的的一個(gè)特定方法需要一個(gè)類，就可以構(gòu)造一個(gè)嵌套類，此嵌套類的唯一任務(wù)就是定期調(diào)用所需的方法。這消除了對程序的其他部分的相依性，并使代碼進(jìn)一步模塊化。清單 9，一個(gè)圖形時(shí)鐘的基礎(chǔ)，使用了內(nèi)部類。
清單 9. 圖形時(shí)鐘示例
public class Clock { protected class Refresher extends Thread { int refreshTime; public Refresher(int x) { super("Refresher"); refreshTime = x; } public void run() { while(true) { try { sleep(refreshTime); } catch(Exception e) {} repaint(); } } } public Clock() { Refresher r = new Refresher(1000); r.start(); } private void repaint() { // 獲取時(shí)間的系統(tǒng)調(diào)用 // 重繪時(shí)鐘指針 } } |
清單 9 中的代碼示例不靠任何其他代碼來調(diào)用 repaint() 方法。這樣，將一個(gè)時(shí)鐘并入一個(gè)較大的用戶界面就相當(dāng)簡單。
事件驅(qū)動(dòng)處理
當(dāng)應(yīng)用程序需要對事件或條件（內(nèi)部的和外部的）作出反映時(shí)，有兩種方法或用來設(shè)計(jì)系統(tǒng)。在第一種方法（稱為輪詢）中，系統(tǒng)定期確定這一狀態(tài)并據(jù)此作出反映。這種方法（雖然簡單）也效率不高，因?yàn)槟冀K無法預(yù)知何時(shí)需要調(diào)用它。
第二種方法（稱為事件驅(qū)動(dòng)處理）效率較高，但實(shí)現(xiàn)起來也較為復(fù)雜。在事件驅(qū)動(dòng)處理的情況下，需要一種發(fā)信機(jī)制來控制某一特定線程何時(shí)應(yīng)該運(yùn)行。在 Java 程序中，您可以使用 wait()、notify() 和 notifyAll() 方法向線程發(fā)送信號。這些方法允許線程在一個(gè)對象上阻塞，直到所需的條件得到滿足為止，然后再次開始運(yùn)行。這種設(shè)計(jì)減少了 CPU 占用，因?yàn)榫€程在阻塞時(shí)不消耗執(zhí)行時(shí)間，并且可在 notify() 方法被調(diào)用時(shí)立即喚醒。與輪詢相比，事件驅(qū)動(dòng)方法可以提供更短的響應(yīng)時(shí)間。
創(chuàng)建高效的線程安全類的步驟
編寫線程安全類的最簡單的方法是用 synchronized 聲明每個(gè)方法。雖然這種方案可以消除數(shù)據(jù)損壞，但它同時(shí)也會(huì)消除您預(yù)期從多線程獲得的任何收益。這樣，您就需要分析并確保在 synchronized 塊內(nèi)部僅占用最少的執(zhí)行時(shí)間。您必須格外關(guān)注訪問緩慢資源 ― 文件、目錄、網(wǎng)絡(luò)套接字和數(shù)據(jù)庫 ― 的方法，這些方法可能降低您的程序的效率。盡量將對這類資源的訪問放在一個(gè)單獨(dú)的線程中，最好在任何 synchronized 代碼之外。
一個(gè)線程安全類的示例 被設(shè)計(jì)為要處理的文件的中心儲(chǔ)存庫。它與使用 getWork() 和 finishWork() 與 WorkTable 類對接的一組線程一起工作。本例旨在讓您體驗(yàn)一下全功能的線程安全類，該類使用了 helper 線程和混合同步。請注意繼續(xù)添加要處理的新文件的Refresher helper 線程的用法。本例沒有調(diào)整到最佳性能，很明顯有許多地方可以改寫以改善性能，比如將 Refresher 線程改為使用 wait()/notify() 方法事件驅(qū)動(dòng)的，改寫 populateTable() 方法以減少列出磁盤上的文件（這是高成本的操作）所產(chǎn)生的影響。
小結(jié)
通過使用可用的全部語言支持，Java 程序中的多線程編程相當(dāng)簡單。但是，使線程安全類具有較高的效率仍然比較困難。為了改善性能，您必須事先考慮并謹(jǐn)慎使用鎖定功能。
參考資料
關(guān)于作者
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Neel V. Kumar 是一位具有八年面向?qū)ο缶幊探?jīng)驗(yàn)的軟件工程師，所用的語言為 C++ 和 Java 編程語言。他出生在愛荷華州，目前住在加利福尼亞的 Menlo Park，剛剛涉足電信領(lǐng)域。他曾經(jīng)為許多項(xiàng)目提供過咨詢服務(wù)，并樂意與別人分享他的知識(shí)。可以通過 neelvk@terway.com 與他聯(lián)系。 |