Posted on 2007-07-18 13:11
Matthew Chen 閱讀(247)
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Java MultiThread
| 開發(fā)者有時(shí)創(chuàng)建的多線程程序會(huì)生成錯(cuò)誤值或產(chǎn)生其它奇怪的行為。古怪行為一般出現(xiàn)在一個(gè)多線程程序沒使用同步連載線程訪問關(guān)鍵代碼部份的時(shí)候。同步連載線程訪問關(guān)鍵代碼部份是什么意思呢？在這篇文章中解釋了同步，Java的同步機(jī)制，以及當(dāng)開發(fā)者沒有正確使用這個(gè)機(jī)制時(shí)出現(xiàn)的兩個(gè)問題。一旦你看完這篇文章，你就可以避免在你的多線程Java程序中因缺乏同步而產(chǎn)生的奇怪行為。 |
| 創(chuàng)建多線程Java程序難嗎？?jī)H從《用Java線程獲取優(yōu)異性能（I）》中獲得的信息你就可以回答，不。畢竟，我已經(jīng)向你顯示了如何輕松地創(chuàng)建線程對(duì)象，通過調(diào)用Thread的start()方法起動(dòng)與這些對(duì)象相關(guān)的線程，以及通過調(diào)用其它Thread方法，比如三個(gè)重載的join()方法執(zhí)行簡(jiǎn)單的線程操作。至今仍有許多開發(fā)者在開發(fā)一些多線程程序時(shí)面臨困難境遇。他們的程序經(jīng)常功能不穩(wěn)定或產(chǎn)生錯(cuò)誤值。例如，一個(gè)多線程程序可能將不正確的雇員資料存貯在數(shù)據(jù)庫中，比如姓名和地址。姓名可能屬于一個(gè)雇員的，而地址卻屬于另一個(gè)的。是什么引起這種奇怪行為的呢？ 是缺乏同步：連載行為，或在同一時(shí)間排序，線程訪問那些讓多重線程操作的類和字段變量實(shí)例的代碼序列，以及其他共享資源。我稱這些代碼序列為關(guān)鍵代碼部份。 |
| 注意：不象類和實(shí)例字段變量，線程不能共享本地變量和參數(shù)。原因是：本地變量和參數(shù)在一個(gè)線程方法中分配——叫堆棧。結(jié)果，每一個(gè)線程都收到它自己對(duì)那些變量的拷貝。相反，線程能夠共享類字段和實(shí)例字段因?yàn)槟切┳兞吭谝粋€(gè)線程方法（叫堆棧）中沒有被分配。取而代之，它們作為類（類字段）或?qū)ο螅▽?shí)例字段）的一部份在共享內(nèi)存堆中被分配。 |
| 這篇文章將教你如何使用同步連載線程訪問關(guān)鍵代碼部份。我用一個(gè)說明為什么一些多線程程序必須使用同步的例子作為開始。我接下來就監(jiān)視器和鎖探討Java的同步機(jī)制和synchronized 關(guān)鍵字。我通過研究由這樣的錯(cuò)用產(chǎn)生的兩個(gè)問題判定常常因?yàn)椴徽_的使用同步機(jī)制而否認(rèn)了它的好處。 |
| · 第II部份：使用同步連載線程訪問關(guān)鍵代碼部份 |
| 為什么我們需要同步呢？一種回答，考慮這個(gè)例子：你寫一個(gè)使用一對(duì)線程模擬取款/存款金融事務(wù)的Java程序。在那個(gè)程序中，一個(gè)線程處理存款，同時(shí)其它線程正處理取款。每一個(gè)線程操作一對(duì)共享變量、類及實(shí)例字段變量，這些用來標(biāo)識(shí)金融事務(wù)的姓名和賬號(hào)。對(duì)于一個(gè)正確的金融事務(wù)，每一個(gè)線程必須在其它線程開始給name和amount賦值前（并且同時(shí)打印那些值）給name和amount變量賦值（并打印那些值，模擬存貯事務(wù)）。其源代碼如下： |
| 列表1. NeedForSynchronizationDemo.java |
| // NeedForSynchronizationDemo.java |
| class NeedForSynchronizationDemo |
| public static void main (String [] args) |
| FinTrans ft = new FinTrans (); |
| TransThread tt1 = new TransThread (ft, "Deposit Thread"); |
| TransThread tt2 = new TransThread (ft, "Withdrawal Thread"); |
| public static String transName; |
| public static double amount; |
| class TransThread extends Thread |
| TransThread (FinTrans ft, String name) |
| this.ft = ft; //保存對(duì)金融事務(wù)對(duì)象的引用 |
| for (int i = 0; i < 100; i++) |
| if (getName ().equals ("Deposit Thread")) |
| ft.transName = "Deposit"; |
| Thread.sleep ((int) (Math.random () * 1000)); |
| catch (InterruptedException e) |
| System.out.println (ft.transName + " " + ft.amount); |
| //存款線程關(guān)鍵代碼部份的結(jié)束 |
| ft.transName = "Withdrawal"; |
| Thread.sleep ((int) (Math.random () * 1000)); |
| catch (InterruptedException e) |
| System.out.println (ft.transName + " " + ft.amount); |
| //取款線程關(guān)鍵代碼部份的結(jié)束 |
| NeedForSynchronizationDemo的源代碼有兩個(gè)關(guān)鍵代碼部份：一個(gè)可理解為存款線程，另一個(gè)可理解為取款線程。在存款線程關(guān)鍵代碼部份中，線程分配Deposit String對(duì)象的引用給共享變量transName及分配2000.0 給共享變量amount。同樣，在取款關(guān)鍵代碼部份，線程分配Withdrawal String對(duì)象的引用給transName及分配250.0給amount。在每個(gè)線程的分配之后打印那些變量的內(nèi)容。當(dāng)你運(yùn)行NeedForSynchronizationDemo時(shí)，你可能期望輸出類似于Withdrawal 250.0 和Deposit 2000.0兩行組成的列表。相反，你收到的輸出如下所示： |
| 程序明顯有問題。取款線程不應(yīng)該模擬$2,000的取款，存款線程不應(yīng)該模擬$250的存款。每一個(gè)線程產(chǎn)生不一致的輸出。是什么引起了這些矛盾呢？我們是如下認(rèn)為的： |
| · 在一個(gè)單處理器機(jī)器上，線程共享處理器。結(jié)果，一個(gè)線程僅能執(zhí)行一定時(shí)間段。在其它時(shí)間里， JVM/操作系統(tǒng)暫停那個(gè)線程的執(zhí)行并允許其它線程執(zhí)行——一種線程時(shí)序安排。在一個(gè)多處理器機(jī)器上，依靠線程和處理器的數(shù)目，每一個(gè)線程都能擁有它自己的處理器。 |
| · 在一單處理器機(jī)器上，一個(gè)線程的執(zhí)行時(shí)間段沒有足夠長(zhǎng)到在其它線程開始執(zhí)行的關(guān)鍵代碼部份前完成它自己的關(guān)鍵代碼部分。在一個(gè)多處理器機(jī)器上，線程能夠同時(shí)執(zhí)行它們自己的關(guān)鍵代碼部份。然而，它們可能在不同的時(shí)間進(jìn)入它們的關(guān)鍵代碼部份。 |
| · 無論是單處理器或是多處理器機(jī)器，下面的情形都可能發(fā)生：線程A在它的關(guān)鍵代碼部份分配一個(gè)值給共享變量X并決定執(zhí)行一個(gè)要求100毫秒的輸入/輸出操作。接下來線程B進(jìn)入它的關(guān)鍵代碼部份，分配一個(gè)不同的值給X，執(zhí)行一個(gè)50毫秒的輸入/輸出操作并分配值給共享變量Y 和Z。線程A的輸入/輸出操作完成，并分配它自己的值給Y和Z。因?yàn)閄包含一個(gè)B分配的值，然而Y和Z包含A分配的值，這是一個(gè)矛盾的結(jié)果。 |
| 這個(gè)矛盾是怎樣在NeedForSynchronizationDemo中產(chǎn)生的呢？假設(shè)存款線程執(zhí)行ft.transName = "Deposit"并且接下來調(diào)用Thread.sleep()。在那一點(diǎn)，存款線程交出處理器控制一段時(shí)間進(jìn)行休眠，讓取款線程執(zhí)行。假定存款線程休眠500毫秒（感謝Math.random()從0到999毫秒范圍隨機(jī)選取一個(gè)值）。在存款線程休眠期間，取款線程執(zhí)行ft.transName = "Withdrawal"，休眠50毫秒 (取款線程隨機(jī)選取休眠值)，醒后執(zhí)行ft.amount = 250.0并執(zhí)行System.out.println (ft.transName + " " + ft.amount)—所有都在存款線程醒來之前。結(jié)果，取款線程打印Withdrawal 250.0，那是正確的。當(dāng)存款線程醒來執(zhí)行ft.amount = 2000.0，接下來執(zhí)行System.out.println (ft.transName + " " + ft.amount)。這個(gè)時(shí)間Withdrawal 2000.0 打印，那是不正確的。雖然存款線程先前分配"Deposit"的引用給transName，但這個(gè)引用隨后會(huì)在取款線程分配”Withdrawal”引用給那個(gè)共享變量時(shí)消失。當(dāng)存款線程醒來時(shí)，它就不能存貯正確的引用到transName，但通過分配2000.0給amount繼續(xù)它的執(zhí)行。雖然兩個(gè)變量都不會(huì)有無效的值，但它們的結(jié)合值卻是矛盾的。假如這樣的話，它們的值顯示企圖取款$2,000。 |
| 很久以前，計(jì)算機(jī)科學(xué)家發(fā)明了描述導(dǎo)致矛盾的多線程組合行為的一個(gè)術(shù)語。術(shù)語是競(jìng)態(tài)條件（race condition）—每一個(gè)線程競(jìng)相在其它線程進(jìn)入同一關(guān)鍵代碼部份前完成它自己的關(guān)鍵代碼部份的行為。作為NeedForSynchronizationDemo示范，線程的執(zhí)行順序是不可知的。這里不能保證一個(gè)線程能夠在其它線程進(jìn)入關(guān)鍵代碼部份前完成它自己的關(guān)鍵代碼部份。因此，我們會(huì)有競(jìng)態(tài)條件引起不一致。要阻止競(jìng)態(tài)條件，每一個(gè)線程必須在其它線程進(jìn)入同一關(guān)鍵代碼部份或其它操作同一共享變量或資源的相關(guān)關(guān)鍵代碼部份前完成它自己的關(guān)鍵代碼部份。對(duì)于一個(gè)關(guān)鍵代碼部份沒有連載訪問方法（即是在一個(gè)時(shí)間只允許訪問一個(gè)線程），你就不能阻止競(jìng)態(tài)條件或不一致的出現(xiàn)。幸運(yùn)的是，Java提供了連載線程訪問的方法：通過它的同步機(jī)制。 |
| 注意：對(duì)于Java的類型，只有長(zhǎng)整型和雙精度浮點(diǎn)型變量?jī)A向于不一致。為什么？一個(gè)32位JVM一般用兩個(gè)臨近32位步長(zhǎng)訪問一個(gè)64位的長(zhǎng)整型變量或一個(gè)64位雙精度浮點(diǎn)型變量。一個(gè)線程可能在完成第一步后等待其它線程執(zhí)行所有的兩步。接下來，第一個(gè)線程可能醒來并完成第二步，產(chǎn)生一個(gè)值既不同于第一個(gè)線程也不同于第二線程的值的變量。結(jié)果，如果至少一個(gè)線程能夠修改一個(gè)長(zhǎng)整型變量或一個(gè)雙精度浮點(diǎn)型變量，那些讀取和（或）修改那個(gè)變量的所有線程就必須使用同步連載訪問。 |