java编程思想(thinking in java)

感谢quanke.name提供内容
# 14.2 共享有限的资源


可将单线程程序想象成一种孤立的实体,它能遍历我们的问题空间,而且一次只能做一件事情。由于只有一个实体,所以永远不必担心会有两个实体同时试图使用相同的资源,就象两个人同时都想停到一个车位,同时都想通过一扇门,甚至同时发话。

进入多线程环境后,它们则再也不是孤立的。可能会有两个甚至更多的线程试图同时同一个有限的资源。必须对这种潜在资源冲突进行预防,否则就可能发生两个线程同时访问一个银行帐号,打印到同一台计算机,以及对同一个值进行调整等等。

14.2.1 资源访问的错误方法

现在考虑换成另一种方式来使用本章频繁见到的计数器。在下面的例子中,每个线程都包含了两个计数器,它们在run()里增值以及显示。除此以外,我们使用了Watcher类的另一个线程。它的作用是监视计数器,检查它们是否保持相等。这表面是一项无意义的行动,因为如果查看代码,就会发现计数器肯定是相同的。但实际情况却不一定如此。下面是程序的第一个版本:

```
//: Sharing1.java
// Problems with resource sharing while threading
import java.awt.*;
import java.awt.event.*;
import java.applet.*;

class TwoCounter extends Thread {
private boolean started = false;
private TextField
t1 = new TextField(5),
t2 = new TextField(5);
private Label l =
new Label("count1 == count2");
private int count1 = 0, count2 = 0;
// Add the display components as a panel
// to the given container:
public TwoCounter(Container c) {
Panel p = new Panel();
p.add(t1);
p.add(t2);
p.add(l);
c.add(p);
}
public void start() {
if(!started) {
started = true;
super.start();
}
}
public void run() {
while (true) {
t1.setText(Integer.toString(count1++));
t2.setText(Integer.toString(count2++));
try {
sleep(500);
} catch (InterruptedException e){}
}
}
public void synchTest() {
Sharing1.incrementAccess();
if(count1 != count2)
l.setText("Unsynched");
}
}

class Watcher extends Thread {
private Sharing1 p;
public Watcher(Sharing1 p) {
this.p = p;
start();
}
public void run() {
while(true) {
for(int i = 0; i < p.s.length; i++)
p.s[i].synchTest();
try {
sleep(500);
} catch (InterruptedException e){}
}
}
}

public class Sharing1 extends Applet {
TwoCounter[] s;
private static int accessCount = 0;
private static TextField aCount =
new TextField("0", 10);
public static void incrementAccess() {
accessCount++;
aCount.setText(Integer.toString(accessCount));
}
private Button
start = new Button("Start"),
observer = new Button("Observe");
private boolean isApplet = true;
private int numCounters = 0;
private int numObservers = 0;
public void init() {
if(isApplet) {
numCounters =
Integer.parseInt(getParameter("size"));
numObservers =
Integer.parseInt(
getParameter("observers"));
}
s = new TwoCounter[numCounters];
for(int i = 0; i < s.length; i++)
s[i] = new TwoCounter(this);
Panel p = new Panel();
start.addActionListener(new StartL());
p.add(start);
observer.addActionListener(new ObserverL());
p.add(observer);
p.add(new Label("Access Count"));
p.add(aCount);
add(p);
}
class StartL implements ActionListener {
public void actionPerformed(ActionEvent e) {
for(int i = 0; i < s.length; i++)
s[i].start();
}
}
class ObserverL implements ActionListener {
public void actionPerformed(ActionEvent e) {
for(int i = 0; i < numObservers; i++)
new Watcher(Sharing1.this);
}
}
public static void main(String[] args) {
Sharing1 applet = new Sharing1();
// This isn't an applet, so set the flag and
// produce the parameter values from args:
applet.isApplet = false;
applet.numCounters =
(args.length == 0 ? 5 :
Integer.parseInt(args[0]));
applet.numObservers =
(args.length < 2 ? 5 :
Integer.parseInt(args[1]));
Frame aFrame = new Frame("Sharing1");
aFrame.addWindowListener(
new WindowAdapter() {
public void windowClosing(WindowEvent e){
System.exit(0);
}
});
aFrame.add(applet, BorderLayout.CENTER);
aFrame.setSize(350, applet.numCounters *100);
applet.init();
applet.start();
aFrame.setVisible(true);
}
} ///:~
```

和往常一样,每个计数器都包含了自己的显示组件:两个文本字段以及一个标签。根据它们的初始值,可知道计数是相同的。这些组件在TwoCounter构建器加入Container。由于这个线程是通过用户的一个“按下按钮”操作启动的,所以start()可能被多次调用。但对一个线程来说,对Thread.start()的多次调用是非法的(会产生违例)。在started标记和过载的start()方法中,大家可看到针对这一情况采取的防范措施。

在run()中,count1和count2的增值与显示方式表面上似乎能保持它们完全一致。随后会调用sleep();若没有这个调用,程序便会出错,因为那会造成CPU难于交换任务。

synchTest()方法采取的似乎是没有意义的行动,它检查count1是否等于count2;如果不等,就把标签设为“Unsynched”(不同步)。但是首先,它调用的是类Sharing1的一个静态成员,以便增值和显示一个访问计数器,指出这种检查已成功进行了多少次(这样做的理由会在本例的其他版本中变得非常明显)。

Watcher类是一个线程,它的作用是为处于活动状态的所有TwoCounter对象都调用synchTest()。其间,它会对Sharing1对象中容纳的数组进行遍历。可将Watcher想象成它掠过TwoCounter对象的肩膀不断地“偷看”。

Sharing1包含了TwoCounter对象的一个数组,它通过init()进行初始化,并在我们按下“start”按钮后作为线程启动。以后若按下“Observe”(观察)按钮,就会创建一个或者多个观察器,并对毫不设防的TwoCounter进行调查。

注意为了让它作为一个程序片在浏览器中运行,Web页需要包含下面这几行:

```




```

可自行改变宽度、高度以及参数,根据自己的意愿进行试验。若改变了size和observers,程序的行为也会发生变化。我们也注意到,通过从命令行接受参数(或者使用默认值),它被设计成作为一个独立的应用程序运行。

下面才是最让人“不可思议”的。在TwoCounter.run()中,无限循环只是不断地重复相邻的行:

```
t1.setText(Integer.toString(count1++));
t2.setText(Integer.toString(count2++));
```

(和“睡眠”一样,不过在这里并不重要)。但在程序运行的时候,你会发现count1和count2被“观察”(用Watcher观察)的次数是不相等的!这是由线程的本质造成的——它们可在任何时候挂起(暂停)。所以在上述两行的执行时刻之间,有时会出现执行暂停现象。同时,Watcher线程也正好跟随着进来,并正好在这个时候进行比较,造成计数器出现不相等的情况。

本例揭示了使用线程时一个非常基本的问题。我们跟无从知道一个线程什么时候运行。想象自己坐在一张桌子前面,桌上放有一把叉子,准备叉起自己的最后一块食物。当叉子要碰到食物时,食物却突然消失了(因为这个线程已被挂起,同时另一个线程进来“偷”走了食物)。这便是我们要解决的问题。

有的时候,我们并不介意一个资源在尝试使用它的时候是否正被访问(食物在另一些盘子里)。但为了让多线程机制能够正常运转,需要采取一些措施来防止两个线程访问相同的资源——至少在关键的时期。

为防止出现这样的冲突,只需在线程使用一个资源时为其加锁即可。访问资源的第一个线程会其加上锁以后,其他线程便不能再使用那个资源,除非被解锁。如果车子的前座是有限的资源,高喊“这是我的!”的孩子会主张把它锁起来。

14.2.2 Java如何共享资源

对一种特殊的资源——对象中的内存——Java提供了内建的机制来防止它们的冲突。由于我们通常将数据元素设为从属于private(私有)类,然后只通过方法访问那些内存,所以只需将一个特定的方法设为synchronized(同步的),便可有效地防止冲突。在任何时刻,只可有一个线程调用特定对象的一个synchronized方法(尽管那个线程可以调用多个对象的同步方法)。下面列出简单的synchronized方法:


```
synchronized void f() { /* ... */ }
synchronized void g() { /* ... */ }
```

每个对象都包含了一把锁(也叫作“监视器”),它自动成为对象的一部分(不必为此写任何特殊的代码)。调用任何synchronized方法时,对象就会被锁定,不可再调用那个对象的其他任何synchronized方法,除非第一个方法完成了自己的工作,并解除锁定。在上面的例子中,如果为一个对象调用f(),便不能再为同样的对象调用g(),除非f()完成并解除锁定。因此,一个特定对象的所有synchronized方法都共享着一把锁,而且这把锁能防止多个方法对通用内存同时进行写操作(比如同时有多个线程)。

每个类也有自己的一把锁(作为类的Class对象的一部分),所以synchronized static方法可在一个类的范围内被相互间锁定起来,防止与static数据的接触。

注意如果想保护其他某些资源不被多个线程同时访问,可以强制通过synchronized方访问那些资源。

1. 计数器的同步

装备了这个新关键字后,我们能够采取的方案就更灵活了:可以只为TwoCounter中的方法简单地使用synchronized关键字。下面这个例子是对前例的改版,其中加入了新的关键字:

```
//: Sharing2.java
// Using the synchronized keyword to prevent
// multiple access to a particular resource.
import java.awt.*;
import java.awt.event.*;
import java.applet.*;

class TwoCounter2 extends Thread {
private boolean started = false;
private TextField
t1 = new TextField(5),
t2 = new TextField(5);
private Label l =
new Label("count1 == count2");
private int count1 = 0, count2 = 0;
public TwoCounter2(Container c) {
Panel p = new Panel();
p.add(t1);
p.add(t2);
p.add(l);
c.add(p);
}
public void start() {
if(!started) {
started = true;
super.start();
}
}
public synchronized void run() {
while (true) {
t1.setText(Integer.toString(count1++));
t2.setText(Integer.toString(count2++));
try {
sleep(500);
} catch (InterruptedException e){}
}
}
public synchronized void synchTest() {
Sharing2.incrementAccess();
if(count1 != count2)
l.setText("Unsynched");
}
}

class Watcher2 extends Thread {
private Sharing2 p;
public Watcher2(Sharing2 p) {
this.p = p;
start();
}
public void run() {
while(true) {
for(int i = 0; i < p.s.length; i++)
p.s[i].synchTest();
try {
sleep(500);
} catch (InterruptedException e){}
}
}
}

public class Sharing2 extends Applet {
TwoCounter2[] s;
private static int accessCount = 0;
private static TextField aCount =
new TextField("0", 10);
public static void incrementAccess() {
accessCount++;
aCount.setText(Integer.toString(accessCount));
}
private Button
start = new Button("Start"),
observer = new Button("Observe");
private boolean isApplet = true;
private int numCounters = 0;
private int numObservers = 0;
public void init() {
if(isApplet) {
numCounters =
Integer.parseInt(getParameter("size"));
numObservers =
Integer.parseInt(
getParameter("observers"));
}
s = new TwoCounter2[numCounters];
for(int i = 0; i < s.length; i++)
s[i] = new TwoCounter2(this);
Panel p = new Panel();
start.addActionListener(new StartL());
p.add(start);
observer.addActionListener(new ObserverL());
p.add(observer);
p.add(new Label("Access Count"));
p.add(aCount);
add(p);
}
class StartL implements ActionListener {
public void actionPerformed(ActionEvent e) {
for(int i = 0; i < s.length; i++)
s[i].start();
}
}
class ObserverL implements ActionListener {
public void actionPerformed(ActionEvent e) {
for(int i = 0; i < numObservers; i++)
new Watcher2(Sharing2.this);
}
}
public static void main(String[] args) {
Sharing2 applet = new Sharing2();
// This isn't an applet, so set the flag and
// produce the parameter values from args:
applet.isApplet = false;
applet.numCounters =
(args.length == 0 ? 5 :
Integer.parseInt(args[0]));
applet.numObservers =
(args.length < 2 ? 5 :
Integer.parseInt(args[1]));
Frame aFrame = new Frame("Sharing2");
aFrame.addWindowListener(
new WindowAdapter() {
public void windowClosing(WindowEvent e){
System.exit(0);
}
});
aFrame.add(applet, BorderLayout.CENTER);
aFrame.setSize(350, applet.numCounters *100);
applet.init();
applet.start();
aFrame.setVisible(true);
}
} ///:~
```

我们注意到无论run()还是synchTest()都是“同步的”。如果只同步其中的一个方法,那么另一个就可以自由忽视对象的锁定,并可无碍地调用。所以必须记住一个重要的规则:对于访问某个关键共享资源的所有方法,都必须把它们设为synchronized,否则就不能正常地工作。

现在又遇到了一个新问题。Watcher2永远都不能看到正在进行的事情,因为整个run()方法已设为“同步”。而且由于肯定要为每个对象运行run(),所以锁永远不能打开,而synchTest()永远不会得到调用。之所以能看到这一结果,是因为accessCount根本没有变化。

为解决这个问题,我们能采取的一个办法是只将run()中的一部分代码隔离出来。想用这个办法隔离出来的那部分代码叫作“关键区域”,而且要用不同的方式来使用synchronized关键字,以设置一个关键区域。Java通过“同步块”提供对关键区域的支持;这一次,我们用synchronized关键字指出对象的锁用于对其中封闭的代码进行同步。如下所示:
synchronized(syncObject) {
// This code can be accessed by only
// one thread at a time, assuming all
// threads respect syncObject's lock
}

在能进入同步块之前,必须在synchObject上取得锁。如果已有其他线程取得了这把锁,块便不能进入,必须等候那把锁被释放。
可从整个run()中删除synchronized关键字,换成用一个同步块包围两个关键行,从而完成对Sharing2例子的修改。但什么对象应作为锁来使用呢?那个对象已由synchTest()标记出来了——也就是当前对象(this)!所以修改过的run()方法象下面这个样子:

```
public void run() {
while (true) {
synchronized(this) {
t1.setText(Integer.toString(count1++));
t2.setText(Integer.toString(count2++));
}
try {
sleep(500);
} catch (InterruptedException e){}
}
}
```

这是必须对Sharing2.java作出的唯一修改,我们会看到尽管两个计数器永远不会脱离同步(取决于允许Watcher什么时候检查它们),但在run()执行期间,仍然向Watcher提供了足够的访问权限。

当然,所有同步都取决于程序员是否勤奋:要访问共享资源的每一部分代码都必须封装到一个适当的同步块里。

2. 同步的效率

由于要为同样的数据编写两个方法,所以无论如何都不会给人留下效率很高的印象。看来似乎更好的一种做法是将所有方法都设为自动同步,并完全消除synchronized关键字(当然,含有synchronized run()的例子显示出这样做是很不通的)。但它也揭示出获取一把锁并非一种“廉价”方案——为一次方法调用付出的代价(进入和退出方法,不执行方法主体)至少要累加到四倍,而且根据我们的具体现方案,这一代价还有可能变得更高。所以假如已知一个方法不会造成冲突,最明智的做法便是撤消其中的synchronized关键字。

14.2.3 回顾Java Beans

我们现在已理解了同步,接着可换从另一个角度来考察Java Beans。无论什么时候创建了一个Bean,就必须假定它要在一个多线程的环境中运行。这意味着:

(1) 只要可行,Bean的所有公共方法都应同步。当然,这也带来了“同步”在运行期间的开销。若特别在意这个问题,在关键区域中不会造成问题的方法就可保留为“不同步”,但注意这通常都不是十分容易判断。有资格的方法倾向于规模很小(如下例的getCircleSize())以及/或者“微小”。也就是说,这个方法调用在如此少的代码片里执行,以至于在执行期间对象不能改变。如果将这种方法设为“不同步”,可能对程序的执行速度不会有明显的影响。可能也将一个Bean的所有public方法都设为synchronized,并只有在保证特别必要、而且会造成一个差异的情况下,才将synchronized关键字删去。

(2) 如果将一个多造型事件送给一系列对那个事件感兴趣的“听众”,必须假在列表中移动的时候可以添加或者删除。

第一点很容易处理,但第二点需要考虑更多的东西。让我们以前一章提供的BangBean.java为例。在那个例子中,我们忽略了synchronized关键字(那时还没有引入呢),并将造型设为单造型,从而回避了多线程的问题。在下面这个修改过的版本中,我们使其能在多线程环境中工作,并为事件采用了多造型技术:

```
//: BangBean2.java
// You should write your Beans this way so they
// can run in a multithreaded environment.
import java.awt.*;
import java.awt.event.*;
import java.util.*;
import java.io.*;

public class BangBean2 extends Canvas
implements Serializable {
private int xm, ym;
private int cSize = 20; // Circle size
private String text = "Bang!";
private int fontSize = 48;
private Color tColor = Color.red;
private Vector actionListeners = new Vector();
public BangBean2() {
addMouseListener(new ML());
addMouseMotionListener(new MM());
}
public synchronized int getCircleSize() {
return cSize;
}
public synchronized void
setCircleSize(int newSize) {
cSize = newSize;
}
public synchronized String getBangText() {
return text;
}
public synchronized void
setBangText(String newText) {
text = newText;
}
public synchronized int getFontSize() {
return fontSize;
}
public synchronized void
setFontSize(int newSize) {
fontSize = newSize;
}
public synchronized Color getTextColor() {
return tColor;
}
public synchronized void
setTextColor(Color newColor) {
tColor = newColor;
}
public void paint(Graphics g) {
g.setColor(Color.black);
g.drawOval(xm - cSize/2, ym - cSize/2,
cSize, cSize);
}
// This is a multicast listener, which is
// more typically used than the unicast
// approach taken in BangBean.java:
public synchronized void addActionListener (
ActionListener l) {
actionListeners.addElement(l);
}
public synchronized void removeActionListener(
ActionListener l) {
actionListeners.removeElement(l);
}
// Notice this isn't synchronized:
public void notifyListeners() {
ActionEvent a =
new ActionEvent(BangBean2.this,
ActionEvent.ACTION_PERFORMED, null);
Vector lv = null;
// Make a copy of the vector in case someone
// adds a listener while we're
// calling listeners:
synchronized(this) {
lv = (Vector)actionListeners.clone();
}
// Call all the listener methods:
for(int i = 0; i < lv.size(); i++) {
ActionListener al =
(ActionListener)lv.elementAt(i);
al.actionPerformed(a);
}
}
class ML extends MouseAdapter {
public void mousePressed(MouseEvent e) {
Graphics g = getGraphics();
g.setColor(tColor);
g.setFont(
new Font(
"TimesRoman", Font.BOLD, fontSize));
int width =
g.getFontMetrics().stringWidth(text);
g.drawString(text,
(getSize().width - width) /2,
getSize().height/2);
g.dispose();
notifyListeners();
}
}
class MM extends MouseMotionAdapter {
public void mouseMoved(MouseEvent e) {
xm = e.getX();
ym = e.getY();
repaint();
}
}
// Testing the BangBean2:
public static void main(String[] args) {
BangBean2 bb = new BangBean2();
bb.addActionListener(new ActionListener() {
public void actionPerformed(ActionEvent e){
System.out.println("ActionEvent" + e);
}
});
bb.addActionListener(new ActionListener() {
public void actionPerformed(ActionEvent e){
System.out.println("BangBean2 action");
}
});
bb.addActionListener(new ActionListener() {
public void actionPerformed(ActionEvent e){
System.out.println("More action");
}
});
Frame aFrame = new Frame("BangBean2 Test");
aFrame.addWindowListener(new WindowAdapter(){
public void windowClosing(WindowEvent e) {
System.exit(0);
}
});
aFrame.add(bb, BorderLayout.CENTER);
aFrame.setSize(300,300);
aFrame.setVisible(true);
}
} ///:~
```

很容易就可以为方法添加synchronized。但注意在addActionListener()和removeActionListener()中,现在添加了ActionListener,并从一个Vector中移去,所以能够根据自己愿望使用任意多个。

我们注意到,notifyListeners()方法并未设为“同步”。可从多个线程中发出对这个方法的调用。另外,在对notifyListeners()调用的中途,也可能发出对addActionListener()和removeActionListener()的调用。这显然会造成问题,因为它否定了Vector actionListeners。为缓解这个问题,我们在一个synchronized从句中“克隆”了Vector,并对克隆进行了否定。这样便可在不影响notifyListeners()的前提下,对Vector进行操纵。

paint()方法也没有设为“同步”。与单纯地添加自己的方法相比,决定是否对过载的方法进行同步要困难得多。在这个例子中,无论paint()是否“同步”,它似乎都能正常地工作。但必须考虑的问题包括:

(1) 方法会在对象内部修改“关键”变量的状态吗?为判断一个变量是否“关键”,必须知道它是否会被程序中的其他线程读取或设置(就目前的情况看,读取或设置几乎肯定是通过“同步”方法进行的,所以可以只对它们进行检查)。对paint()的情况来说,不会发生任何修改。

(2) 方法要以这些“关键”变量的状态为基础吗?如果一个“同步”方法修改了一个变量,而我们的方法要用到这个变量,那么一般都愿意把自己的方法也设为“同步”。基于这一前提,大家可观察到cSize由“同步”方法进行了修改,所以paint()应当是“同步”的。但在这里,我们可以问:“假如cSize在paint()执行期间发生了变化,会发生的最糟糕的事情是什么呢?”如果发现情况不算太坏,而且仅仅是暂时的效果,那么最好保持paint()的“不同步”状态,以避免同步方法调用带来的额外开销。

(3) 要留意的第三条线索是paint()基础类版本是否“同步”,在这里它不是同步的。这并不是一个非常严格的参数,仅仅是一条“线索”。比如在目前的情况下,通过同步方法(好cSize)改变的一个字段已合成到paint()公式里,而且可能已改变了情况。但请注意,synchronized不能继承——也就是说,假如一个方法在基础类中是“同步”的,那么在衍生类过载版本中,它不会自动进入“同步”状态。

TestBangBean2中的测试代码已在前一章的基础上进行了修改,已在其中加入了额外的“听众”,从而演示了BangBean2的多造型能力。