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Java語言內置了synchronized關鍵字用于對多線程進行同步，大大方便了Java中多線程程序的編寫。但是僅僅使用synchronized關鍵字還不能滿足對多線程進行同步的所有需要。大家知道，synchronized僅僅能夠對方法或者代碼塊進行同步，如果我們一個應用需要跨越多個方法進行同步，synchroinzed就不能勝任了。在C++中有很多同步機制，比如信號量、互斥體、臨屆區等。在Java中也可以在synchronized語言特性的基礎上，在更高層次構建這樣的同步工具，以方便我們的使用。
????當前，廣為使用的是由Doug?Lea編寫的一個Java中同步的工具包，可以在這兒了解更多這個包的詳細情況：
????http://gee.cs.oswego.edu/dl/classes/EDU/oswego/cs/dl/util/concurrent/intro.html
????該工具包已經作為JSR166正處于JCP的控制下，即將作為JDK1.5的正式組成部分。本文并不打算詳細剖析這個工具包，而是對多種同步機制的一個介紹，同時給出這類同步機制的實例實現，這并不是工業級的實現。但其中會參考Doug?Lea的這個同步包中的工業級實現的一些代碼片斷。
????本例中還沿用上篇中的Account類，不過我們這兒編寫一個新的ATM類來模擬自動提款機，通過一個ATMTester的類，生成10個ATM線程，同時對John賬戶進行查詢、提款和存款操作。Account類做了一些改動，以便適應本篇的需要：

import ?java.util.HashMap;
import ?java.util.Map;
class ?Account?{
????String?name;
????//float?amount;
????
????//使用一個Map模擬持久存儲
????static?Map?storage?=?new?HashMap();
????static?{
????????storage.put("John",?new?Float(1000.0f));
????????storage.put("Mike",?new?Float(800.0f));
????}????
????
????
????public?Account(String?name)?{
????????//System.out.println("new?account:"?+?name);
????????this.name?=?name;
????????//this.amount?=?((Float)storage.get(name)).floatValue();
????}
????public?synchronized?void?deposit(float?amt)?{
????????float?amount?=?((Float)storage.get(name)).floatValue();
????????storage.put(name,?new?Float(amount?+?amt));
????}
????public?synchronized?void?withdraw(float?amt)?throws?InsufficientBalanceException?{
????????float?amount?=?((Float)storage.get(name)).floatValue();
????????if?(amount?>=?amt)
????????????amount?-=?amt;
????????else?
????????????throw?new?InsufficientBalanceException();
????????????????
????????storage.put(name,?new?Float(amount));
????}
????public?float?getBalance()?{
????????float?amount?=?((Float)storage.get(name)).floatValue();
????????return?amount;
????}
}

在新的Account類中，我們采用一個HashMap來存儲賬戶信息。Account由ATM類通過login登錄后使用：

public ?class?ATM?{
????Account?acc;
????
????//作為演示，省略了密碼驗證
????public?boolean?login(String?name)?{
????????if?(acc?!=?null)
????????????throw?new?IllegalArgumentException("Already?logged?in!");
????????acc?=?new?Account(name);
????????return?true;
????}
????
????public?void?deposit(float?amt)?{
????????acc.deposit(amt);
????}
????
????public?void?withdraw(float?amt)?throws?InsufficientBalanceException??{
????????????acc.withdraw(amt);
????}
????
????public?float?getBalance()?{
????????return?acc.getBalance();
????}
????
????public?void?logout?()?{
????????acc?=?null;
????}
????
}
下面是ATMTester，在ATMTester中首先生成了10個ATM實例，然后啟動10個線程，同時登錄John的賬戶，先查詢余額，然后，再提取余額的80％，然后再存入等額的款（以維持最終的余額的不變）。按照我們的預想，應該不會發生金額不足的問題。首先看代碼：
1. public ?class?ATMTester?{
2. ????private?static?final?int?NUM_OF_ATM?=?10;
5. ????public?static?void?main(String[]?args)?{
6. ????????ATMTester?tester?=?new?ATMTester();
7. ????????
8. ????????final?Thread?thread[]?=?new?Thread[NUM_OF_ATM];
9. ????????final?ATM?atm[]?=?new?ATM[NUM_OF_ATM];
10. ????????for?(int?i=0;?i
11. ????????????atm[i]?=?new?ATM();
12. ????????????thread[i]?=?new?Thread(tester.new?Runner(atm[i]));
13. ????????????thread[i].start();
14. ????????}????
15. ????????
16. ????}
17. ????
18. ????class?Runner?implements?Runnable?{
19. ????????ATM?atm;
20. ????????
21. ????????Runner(ATM?atm)?{
22. ????????????this.atm?=?atm;
23. ????????}
24. ????????
25. ????????public?void?run()?{
26. ????????????atm.login("John");
27. ????????????//查詢余額
28. ????????????float?bal?=?atm.getBalance();
29. ????????????try?{
30. ????????????????Thread.sleep(1);?//模擬人從查詢到取款之間的間隔
31. ????????????}?catch?(InterruptedException?e)?{
32. ????????????????//?ignore?it
33. ????????????}?
34. ????????????
35. ????????????try?{
36. ????????????????System.out.println("Your?balance?is:"?+?bal);
37. ????????????????System.out.println("withdraw:"?+?bal?*?0.8f);
38. ????????????????atm.withdraw(bal?*?0.8f);
39. ????????????????System.out.println("deposit:"?+?bal?*?0.8f);
40. ????????????????atm.deposit(bal?*?0.8f);
41. ????????????}?catch?(InsufficientBalanceException?e1)?{
42. ????????????????System.out.println("余額不足！");
43. ????????????}?finally?{
44. ????????????????????????????????????atm.logout();
45. ???????????????????????????}
47. ????????}
48. ????}
49. }
運行ATMTester，結果如下（每次運行結果都有所差異）：

Your?balance?is:1000.0
withdraw:800.0
deposit:800.0
Your?balance?is:1000.0
Your?balance?is:1000.0
withdraw:800.0
withdraw:800.0
余額不足！
Your?balance?is:200.0
Your?balance?is:200.0
Your?balance?is:200.0
余額不足！
Your?balance?is:200.0
Your?balance?is:200.0
Your?balance?is:200.0
Your?balance?is:200.0
withdraw:160.0
withdraw:160.0
withdraw:160.0
withdraw:160.0
withdraw:160.0
withdraw:160.0
withdraw:160.0
deposit:160.0
余額不足！
余額不足！
余額不足！
余額不足！
余額不足！
余額不足！

為什么會出現這樣的情況？因為我們這兒是多個ATM同時對同一賬戶進行操作，比如一個ATM查詢出了余額為1000，第二個ATM也查詢出了余額1000，然后兩者都期望提取出800，那么只有第1個用戶能夠成功提出，因為在第1個提出800后，賬戶真實的余額就只有200了，而第二個用戶仍認為余額為1000。這個問題是由于多個ATM同時對同一個賬戶進行操作所不可避免產生的后果。要解決這個問題，就必須限制同一個賬戶在某一時刻，只能由一個ATM進行操作。如何才能做到這一點？直接通過synchronized關鍵字可以嗎？非常遺憾！因為我們現在需要對整個Account的多個方法進行同步，這是跨越多個方法的，而synchronized僅能對方法或者代碼塊進行同步。在下一篇我們將通過編寫一個鎖對象達到這個目的。

我們首先開發一個BusyFlag的類，類似于C++中的Simaphore。

public ?class?BusyFlag?{
????protected?Thread?busyflag?=?null;
????protected?int?busycount?=?0;
????
????public?synchronized?void?getBusyFlag()?{
????????while?(tryGetBusyFlag()?==?false)?{
????????????try?{
????????????????wait();
????????????}?catch?(Exception?e)?{}????????????
????????}
????}
????
????private?synchronized?boolean?tryGetBusyFlag()?{
????????if?(busyflag?==?null)?{
????????????busyflag?=?Thread.currentThread();
????????????busycount?=?1;
????????????return?true;
????????}
????????
????????if?(busyflag?==?Thread.currentThread())?{
????????????busycount++;
????????????return?true;
????????}
????????return?false;????????
????}
????
????public?synchronized?void?freeBusyFlag()?{
????????if(getOwner()==?Thread.currentThread())?{
????????????busycount--;
????????????if(busycount==0)?{
????????????????busyflag?=?null;
?????????????????????????????????????notify();
????????????????????????????}
????????}
????}
????
????public?synchronized?Thread?getOwner()?{
????????return?busyflag;
????}
}

注：參考Scott?Oaks?&?Henry?Wong《Java?Thread》

BusyFlag有3個公開方法：getBusyFlag,?freeBusyFlag,?getOwner，分別用于獲取忙標志、釋放忙標志和獲取當前占用忙標志的線程。使用這個BusyFlag也非常地簡單，只需要在需要鎖定的地方，調用BusyFlag的getBusyFlag()，在對鎖定的資源使用完畢時，再調用改BusyFlag的freeBusyFlag()即可。下面我們開始改造上篇中的Account和ATM類，并應用BusyFlag工具類使得同時只有一個線程能夠訪問同一個賬戶的目標得以實現。首先，要改造Account類，在Account中內置了一個BusyFlag對象，并通過此標志對象對Account進行鎖定和解鎖：

import ?java.util.Collections;
import ?java.util.HashMap;
import ?java.util.Map;
class ?Account?{
????String?name;
????//float?amount;
????
????BusyFlag?flag?=?new?BusyFlag();
????
????//使用一個Map模擬持久存儲
????static?Map?storage?=?new?HashMap();
????static?{
????????storage.put("John",?new?Float(1000.0f));
????????storage.put("Mike",?new?Float(800.0f));
????}
????
????static?Map?accounts?=?Collections.synchronizedMap(new?HashMap());????
????
????
????private?Account(String?name)?{
????????this.name?=?name;
????????//this.amount?=?((Float)storage.get(name)).floatValue();
????}
????
????public?synchronized?static?Account?getAccount?(String?name)?{
????????if?(accounts.get(name)?==?null)
????????????accounts.put(name,?new?Account(name));
????????return?(Account)?accounts.get(name);
????}
????public?synchronized?void?deposit(float?amt)?{
????????float?amount?=?((Float)storage.get(name)).floatValue();
????????storage.put(name,?new?Float(amount?+?amt));
????}
????public?synchronized?void?withdraw(float?amt)?throws?InsufficientBalanceException?{
????????float?amount?=?((Float)storage.get(name)).floatValue();
????????if?(amount?>=?amt)
????????????amount?-=?amt;
????????else?
????????????throw?new?InsufficientBalanceException();
????????????????
????????storage.put(name,?new?Float(amount));
????}
????public?float?getBalance()?{
????????float?amount?=?((Float)storage.get(name)).floatValue();
????????return?amount;
????}
????
????public?void?lock()?{
????????flag.getBusyFlag();
????}
????
????public?void?unlock()?{
????????flag.freeBusyFlag();
????}
}

新的Account提供了兩個用于鎖定的方法：lock()和unlock()，供Account對象的客戶端在需要時鎖定Account和解鎖Account，Account通過委托給BusyFlag來提供這個機制。另外，大家也發現了，新的Account中提供了對Account對象的緩存，同時去除了public的構造方法，改為使用一個靜態工廠方法供用戶獲取Account的實例，這樣做也是有必要的，因為我們希望所有的ATM機同時只能有一個能夠對同一個Account進行操作，我們在Account上的鎖定是對一個特定Account對象進行加鎖，如果多個ATM同時實例化多個同一個user的Account對象，那么仍然可以同時操作同一個賬戶。所以，要使用這種機制就必須保證Account對象在系統中的唯一性，所以，這兒使用一個Account的緩存，并將Account的構造方法變為私有的。你也可以說，通過在Account類鎖上進行同步，即將Account中的BusyFlag對象聲明為static的，但這樣就使同時只能有一臺ATM機進行操作了。這樣，在一臺ATM機在操作時，全市其它的所有的ATM機都必須等待。
另外必須注意的一點是：Account中的getAccount()方法必須同步，否則，將有可能生成多個Account對象，因為可能多個線程同時到達這個方法，并監測到accounts中沒有“John”的Account實例，從而實例化多個John的Account實例。s

ATM類只需作少量改動，在login方法中鎖定Account，在logout方法中解鎖：

public ?class?ATM?{
????Account?acc;
????
????//作為演示，省略了密碼驗證
????public?synchronized?boolean?login(String?name)?{
????????if?(acc?!=?null)
????????????throw?new?IllegalArgumentException("Already?logged?in!");
????????acc?=?Account.getAccount(name);
????????acc.lock();
????????return?true;
????}
????
????public?void?deposit(float?amt)?{
????????acc.deposit(amt);
????}
????
????public?void?withdraw(float?amt)?throws?InsufficientBalanceException??{
????????????acc.withdraw(amt);
????}
????
????public?float?getBalance()?{
????????return?acc.getBalance();
????}
????
????public?synchronized?void?logout?()?{
????????acc.unlock();
????????acc?=?null;
????}
????
}

ATMTester類不需要做任何修改即可同樣運行，同時保證同一個Account同時只能由一個ATM進行操作。解決了上篇提到的多個ATM同時對同一個Account進行操作造成的問題。

在最新的Doug?Lea的util.concurrent工具包中（現處于JSR166）提供了類似的并發實用類：ReentrantLock，它實現了java?.util.concurrent.locks.Lock接口（將在JDK1.5中發布），它的作用也類似于我們這兒的BusyFlag，實現機制、使用方法也相似。但這是一個工業強度的可重入鎖的實現類。在ReentrantLock的API文檔中有它的使用示例：

?????Lock?l?=?...;?
?????l.lock();
?????try?{
?????????//?access?the?resource?protected?by?this?lock
?????}?finally?{
?????????l.unlock();
?????}

posted on 2006-08-17 19:30 Lansing 閱讀(494) 評論(0) 編輯收藏所屬分類: Java

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