南寧達(dá)內(nèi)：編寫多線程Java應(yīng)用程序常見問題

　　幾乎所有使用 AWT 或 Swing 編寫的畫圖程序都需要多線程。但多線程程序會(huì)造成許多困難，剛開始編程的開發(fā)者常常會(huì)發(fā)現(xiàn)他們被一些問題所折磨，例如不正確的程序行為或死鎖。

　　在本文中，我們將探討使用多線程時(shí)遇到的問題，并提出那些常見陷阱的解決方案。

　　線程是什么？

　　一個(gè)程序或進(jìn)程能夠包含多個(gè)線程，這些線程可以根據(jù)程序的代碼執(zhí)行相應(yīng)的指令。多線程看上去似乎在并行執(zhí)行它們各自的工作，就像在一臺計(jì)算機(jī)上運(yùn)行著多個(gè)處理機(jī)一樣。在多處理機(jī)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)多線程時(shí)，它們確實(shí)可以并行工作。和進(jìn)程不同的是，線程共享地址空間。也就是說，多個(gè)線程能夠讀寫相同的變量或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

　　編寫多線程程序時(shí)，你必須注意每個(gè)線程是否干擾了其他線程的工作?？梢詫⒊绦蚩醋饕粋€(gè)辦公室，如果不需要共享辦公室資源或與其他人交流，所有職員就會(huì)獨(dú)立并行地工作。某個(gè)職員若要和其他人交談，當(dāng)且僅當(dāng)該職員在“聽”且他們兩說同樣的語言。此外，只有在復(fù)印機(jī)空閑且處于可用狀態(tài)(沒有僅完成一半的復(fù)印工作，沒有紙張阻塞等問題)時(shí)，職員才能夠使用它。在這篇文章中你將看到，在 Java 程序中互相協(xié)作的線程就好像是在一個(gè)組織良好的機(jī)構(gòu)中工作的職員。

　　在多線程程序中，線程可以從準(zhǔn)備就緒隊(duì)列中得到，并在可獲得的系統(tǒng) CPU 上運(yùn)行。操作系統(tǒng)可以將線程從處理器移到準(zhǔn)備就緒隊(duì)列或阻塞隊(duì)列中，這種情況可以認(rèn)為是處理器“掛起”了該線程。同樣，Java 虛擬機(jī) (JVM) 也可以控制線程的移動(dòng)--在協(xié)作或搶先模型中--從準(zhǔn)備就緒隊(duì)列中將進(jìn)程移到處理器中，于是該線程就可以開始執(zhí)行它的程序代碼。

　　協(xié)作式線程模型允許線程自己決定什么時(shí)候放棄處理器來等待其他的線程。程序開發(fā)員可以精確地決定某個(gè)線程何時(shí)會(huì)被其他線程掛起，允許它們與對方有效地合作。缺點(diǎn)在于某些惡意或是寫得不好的線程會(huì)消耗所有可獲得的 CPU 時(shí)間，導(dǎo)致其他線程“饑餓”.

　　在搶占式線程模型中，操作系統(tǒng)可以在任何時(shí)候打斷線程。通常會(huì)在它運(yùn)行了一段時(shí)間(就是所謂的一個(gè)時(shí)間片)后才打斷它。這樣的結(jié)果自然是沒有線程能夠不公平地長時(shí)間霸占處理器。然而，隨時(shí)可能打斷線程就會(huì)給程序開發(fā)員帶來其他麻煩。同樣使用辦公室的例子，假設(shè)某個(gè)職員搶在另一人前使用復(fù)印機(jī)，但打印工作在未完成的時(shí)候離開了，另一人接著使用復(fù)印機(jī)時(shí)，該復(fù)印機(jī)上可能就還有先前那名職員留下來的資料。搶占式線程模型要求線程正確共享資源，協(xié)作式模型卻要求線程共享執(zhí)行時(shí)間。由于 JVM 規(guī)范并沒有特別規(guī)定線程模型，Java 開發(fā)員必須編寫可在兩種模型上正確運(yùn)行的程序。在了解線程以及線程間通訊的一些方面之后，我們可以看到如何為這兩種模型設(shè)計(jì)程序。

　　線程和 Java 語言

　　為了使用 Java 語言創(chuàng)建線程，你可以生成一個(gè) Thread 類(或其子類)的對象，并給這個(gè)對象發(fā)送 start() 消息。(程序可以向任何一個(gè)派生自 Runnable 接口的類對象發(fā)送 start() 消息。)每個(gè)線程動(dòng)作的定義包含在該線程對象的 run() 方法中。run 方法就相當(dāng)于傳統(tǒng)程序中的 main() 方法;線程會(huì)持續(xù)運(yùn)行，直到 run() 返回為止，此時(shí)該線程便死了。

　　上鎖

　　大多數(shù)應(yīng)用程序要求線程互相通信來同步它們的動(dòng)作。在 Java 程序中最簡單實(shí)現(xiàn)同步的方法就是上鎖。為了防止同時(shí)訪問共享資源，線程在使用資源的前后可以給該資源上鎖和開鎖。假想給復(fù)印機(jī)上鎖，任一時(shí)刻只有一個(gè)職員擁有鑰匙。若沒有鑰匙就不能使用復(fù)印機(jī)。給共享變量上鎖就使得 Java 線程能夠快速方便地通信和同步。某個(gè)線程若給一個(gè)對象上了鎖，就可以知道沒有其他線程能夠訪問該對象。即使在搶占式模型中，其他線程也不能夠訪問此對象，直到上鎖的線程被喚醒、完成工作并開鎖。那些試圖訪問一個(gè)上鎖對象的線程通常會(huì)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，直到上鎖的線程開鎖。一旦鎖被打開，這些睡眠進(jìn)程就會(huì)被喚醒并移到準(zhǔn)備就緒隊(duì)列中。

　　在 Java 編程中，所有的對象都有鎖。線程可以使用 synchronized 關(guān)鍵字來獲得鎖。在任一時(shí)刻對于給定的類的實(shí)例，方法或同步的代碼塊只能被一個(gè)線程執(zhí)行。這是因?yàn)榇a在執(zhí)行之前要求獲得對象的鎖。繼續(xù)我們關(guān)于復(fù)印機(jī)的比喻，為了避免復(fù)印沖突，我們可以簡單地對復(fù)印資源實(shí)行同步。如同下列的代碼例子，任一時(shí)刻只允許一位職員使用復(fù)印資源。通過使用方法(在 Copier 對象中)來修改復(fù)印機(jī)狀態(tài)。這個(gè)方法就是同步方法。只有一個(gè)線程能夠執(zhí)行一個(gè) Copier 對象中同步代碼，因此那些需要使用 Copier 對象的職員就必須排隊(duì)等候。

　　class CopyMachine {

　　public synchronized void makeCopies(Document d, int nCopies) {

　　// only one thread executes this at a time

　　}

　　public void loadPaper() {

　　// multiple threads could access this at once!

　　synchronized(this) {

　　// only one thread accesses this at a time

　　// feel free to use shared resources, overwrite members, etc.

　　}

　　}

　　}

　　Fine-grain 鎖

　　在對象級使用鎖通常是一種比較粗糙的方法。為什么要將整個(gè)對象都上鎖，而不允許其他線程短暫地使用對象中其他同步方法來訪問共享資源？如果一個(gè)對象擁有多個(gè)資源，就不需要只為了讓一個(gè)線程使用其中一部分資源，就將所有線程都鎖在外面。由于每個(gè)對象都有鎖，可以如下所示使用虛擬對象來上鎖：

　　class FineGrainLock {

　　MyMemberClass x, y;

　　Object xlock = new Object()， ylock = new Object();

　　public void foo() {

　　synchronized(xlock) {

　　// access x here

　　}

　　// do something here - but don't use shared resources

　　synchronized(ylock) {

　　// access y here

　　}

　　}

　　public void bar() {

　　synchronized(this) {

　　// access both x and y here

　　}

　　// do something here - but don't use shared resources

　　}

　　}

　　若為了在方法級上同步，不能將整個(gè)方法聲明為 synchronized 關(guān)鍵字。它們使用的是成員鎖，而不是 synchronized 方法能夠獲得的對象級鎖。

　　信號量

　　通常情況下，可能有多個(gè)線程需要訪問數(shù)目很少的資源。假想在服務(wù)器上運(yùn)行著若干個(gè)回答客戶端請求的線程。這些線程需要連接到同一數(shù)據(jù)庫，但任一時(shí)刻只能獲得一定數(shù)目的數(shù)據(jù)庫連接。你要怎樣才能夠有效地將這些固定數(shù)目的數(shù)據(jù)庫連接分配給大量的線程？一種控制訪問一組資源的方法(除了簡單地上鎖之外)，就是使用眾所周知的信號量計(jì)數(shù) (counting semaphore)。信號量計(jì)數(shù)將一組可獲得資源的管理封裝起來。信號量是在簡單上鎖的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，相當(dāng)于能令線程安全執(zhí)行，并初始化為可用資源個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)器。例如我們可以將一個(gè)信號量初始化為可獲得的數(shù)據(jù)庫連接個(gè)數(shù)。一旦某個(gè)線程獲得了信號量，可獲得的數(shù)據(jù)庫連接數(shù)減一。線程消耗完資源并釋放該資源時(shí)，計(jì)數(shù)器就會(huì)加一。當(dāng)信號量控制的所有資源都已被占用時(shí)，若有線程試圖訪問此信號量，則會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài)，直到有可用資源被釋放。

　　信號量最常見的用法是解決“消費(fèi)者-生產(chǎn)者問題&rdqu