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作者：羅時(shí)飛 譯 來自：open-v.com
前言
如果開發(fā)者正開發(fā)或維護(hù)基于Servlet的Web應(yīng)用，則Servlet規(guī)范建議最好能夠看看。因?yàn)樗械膬?nèi)容對(duì)于Web應(yīng)用開發(fā)者理解Servlet容器的工作機(jī)理很有幫助。
其中，規(guī)范給出了Servlet容器是如何處理客戶請(qǐng)求的。Servlet容器將會(huì)根據(jù)web.xml配置文件中定義的各個(gè)Servet而創(chuàng)建相應(yīng)的單例。因此，多個(gè)客戶請(qǐng)求可能同時(shí)訪問這些單例，即多個(gè)線程同時(shí)訪問它們。在Web應(yīng)用中保證線程安全是很重要的。開發(fā)者應(yīng)該對(duì)這個(gè)問題保持警惕，而且必須確保各自的代碼必須以線程安全的方式運(yùn)行。
溫故線程安全
好了，本文將介紹線程安全的基本知識(shí)以及如何實(shí)現(xiàn)線程安全。有關(guān)線程安全，現(xiàn)有的資料有很多，作者很喜歡Wikipedia[譯者注：http://en.wikipedia.org/wiki/Thread-safe ]這篇文章。開發(fā)者基本上可以認(rèn)為，如果代碼是可重入的（reentrant），或者通過某種形式的互斥而實(shí)現(xiàn)對(duì)并發(fā)訪問的保護(hù)，則代碼是線程安全的。
大部分Java開發(fā)者都應(yīng)該聽過synchronized關(guān)鍵字。在不采用任何第三方庫(kù)的前提下，Java本身對(duì)線程提供了原生支持，而且synchronized關(guān)鍵字往往是Java應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)線程安全最重要的因素。Java中的同步提供了互斥支持。通過同步一塊代碼或整個(gè)方法能夠保證同時(shí)最多只有單個(gè)線程執(zhí)行它，從而實(shí)現(xiàn)了線程安全。引入同步具有副作用，即阻塞。比如，大公司或律師辦公室的前臺(tái)小姐同時(shí)需要處理電話、郵件、受訪客戶等等。這使得她的工作很繁忙，而且導(dǎo)致一些事情不能夠及時(shí)處理。
在Web應(yīng)用中需要警惕阻塞。受同步保護(hù)的代碼塊使得其同時(shí)處理客戶請(qǐng)求的吞吐量降低，而且很多客戶處于阻塞狀態(tài)，除非某客戶處理完成。而且互斥不僅會(huì)帶來阻塞，還會(huì)帶來死鎖。通常，死鎖是不可恢復(fù)的。如下條件將觸發(fā)死鎖的發(fā)生：線程A鎖住了線程B等待的資源，而且線程B鎖住了線程A等待的資源，即線程B一直在等待線程A釋放鎖，線程A也是如此。因此，對(duì)于多線程的應(yīng)用而言，死鎖的預(yù)防和處理通常都是很頭疼的。
另外，synchronized關(guān)鍵字還使得大量的同步對(duì)象到處使用，從而引入了死鎖的可能性。比如，java.util.Hashtable和java.util.Vector中提供的方法都是受互斥保護(hù)的，因此除非確實(shí)需要使用它們，否則盡量不用。開發(fā)者只需要使用java.util.HashMap和java.util.ArrayList即可。當(dāng)然，java.util.Collections中的同步方法也使用了synchronized關(guān)鍵字。
盡管可重入更易于管理，但它引入了其他問題。可重入代碼避免了線程間數(shù)據(jù)的共享。考慮如下代碼（姑且認(rèn)為Java中的方法是線程安全的）：
public Double pi() {
int a = 22;
int b = 7;
return new Double(a / b);
}
不管同時(shí)進(jìn)入該方法的線程有多少，它總是線程安全的。各個(gè)線程都維護(hù)了屬于各個(gè)線程的棧，并不同其他線程共享。其中，各個(gè)線程在當(dāng)前方法（包括靜態(tài)方法）中創(chuàng)建的方法變量?jī)H屬于當(dāng)前線程，即存儲(chǔ)在當(dāng)前線程的棧中。因此，當(dāng)線程A和B同時(shí)進(jìn)入上述方法時(shí)，它們都將創(chuàng)建a和b。由于上述方法不存在數(shù)據(jù)共享，因此上述方法是線程安全的。請(qǐng)注意：22/7值同PI值較接近，但它們不相等。
接下來，看看如何優(yōu)化上述代碼吧。
private Double pi = null;
public Double pi() {
if (pi == null) {
pi = new Double(22 / 7);
}
return pi;
}
盡管改進(jìn)后的方法能夠提高性能，但并不是線程安全的。比如：如果pi為null，而且線程A和B同時(shí)進(jìn)入第4行。因此，線程A和B會(huì)同時(shí)測(cè)試pi是否為空，它們都將返回true。接下來，如果線程A繼續(xù)執(zhí)行（線程B由于某種原因被暫掛），然后返回對(duì)內(nèi)存地址的引用。其中，該內(nèi)存地址含有22/7的結(jié)果，即pi值。最后，線程A退出方法。當(dāng)線程B再次進(jìn)入第5行時(shí)，新的內(nèi)存地址將覆蓋原先的內(nèi)存地址（線程A提供的）。這太危險(xiǎn)了，而且這種問題往往難于調(diào)試。
如果使用ThreadLocal，則不僅能夠保證pi()方法是線程安全，而且能夠提供性能的改善。
private static ThreadLocal pi = new ThreadLocal();
public Double pi() {
if (pi.get() == null) {
pi.set(new Double(22 / 7));
}
return (Double)pi.get();
}
ThreadLocal類能夠包裹任何對(duì)象，而且能夠?qū)?duì)象綁定到當(dāng)前線程，使得它僅僅供當(dāng)前線程使用。當(dāng)線程初次執(zhí)行pi()方法時(shí)，由于沒有對(duì)象綁定到ThreadLocal實(shí)例pi上，因此get()方法返回null。借助于set()方法能夠?qū)?duì)象綁定到當(dāng)前線程，而且不供其它線程使用。因此，如果不同線程需要經(jīng)常訪問pi()方法，則借助于ThreadLocal不僅能夠保證線程安全，而且能夠提高性能。
目前，存在很多關(guān)于如何使用ThreadLocal的資源。在Java 1.4之前，ThreadLocal的性能確實(shí)很差，但是現(xiàn)已解決了這個(gè)問題。另外，由于對(duì)ThreadLocal的錯(cuò)誤理解，使得很多開發(fā)者對(duì)它的誤用。注意，上述實(shí)例使用ThreadLocal的方式是絕對(duì)沒問題的。在引入ThreadLocal后，上述方法的行為并未發(fā)生改變，但是方法已經(jīng)是線程安全的了。
通過可重入的方式開發(fā)線程安全的代碼要求開發(fā)者謹(jǐn)慎使用實(shí)例變量或靜態(tài)變量，尤其對(duì)于修改那些其他線程需要使用的對(duì)象而言。某些場(chǎng)合，使用同步可能更為合適。然而，為識(shí)別由于同步而引起的應(yīng)用性能瓶頸往往只能借助于專業(yè)的性能評(píng)測(cè)工具或負(fù)載測(cè)試完成。
Web應(yīng)用中的線程安全
好了，在溫故線程安全的知識(shí)后，來研究Web應(yīng)用中是如何線程安全的吧！開發(fā)者通過創(chuàng)建Web頁(yè)面來操作數(shù)據(jù)庫(kù)。比如，在Web層和業(yè)務(wù)邏輯層都能夠操作RDBMS。本文使用Hibernate將業(yè)務(wù)模型持久化到數(shù)據(jù)庫(kù)中。在Web層，開發(fā)者可以使用Tapestry、Wicket、Struts、WebWork、JSF、Spring MVC，或者其他運(yùn)行在Web容器中的Web框架。
至于Web層的具體實(shí)現(xiàn)并不是本文的重點(diǎn)。本文將關(guān)注如何管理數(shù)據(jù)庫(kù)連接，這也是Web應(yīng)用中處理線程安全問題是經(jīng)常要考慮的資源。數(shù)據(jù)庫(kù)連接對(duì)象，比如連接、結(jié)果集、Statement、Hibernate Session，是有狀態(tài)對(duì)象。當(dāng)然，它們不是線程安全的，因此不能夠同時(shí)供多個(gè)線程訪問。在本文前面已經(jīng)提到，開發(fā)者應(yīng)盡量避免使用同步。無論是synchronized關(guān)鍵字，還是那些同步類（Hashtable或Vector），應(yīng)盡量避免使用。因此，如果使用可重入，則不用處理阻塞或死鎖。
當(dāng)然，通過可重入實(shí)現(xiàn)線程安全以訪問數(shù)據(jù)庫(kù)并不是件簡(jiǎn)單的工作。比如，有些開發(fā)者可能會(huì)在Servlet容器配置中添加過濾器。因此，在客戶請(qǐng)求到來時(shí)，過濾器將創(chuàng)建JDBC連接或Hibernate Session，并借助于ThreadLocal類將它們綁定到當(dāng)前線程中，從而供業(yè)務(wù)邏輯使用。如果直接使用J2EE API，則開發(fā)者除了需要做很多同業(yè)務(wù)邏輯無關(guān)的操作外，還需要管理事務(wù)、DB錯(cuò)誤等等開發(fā)內(nèi)容。請(qǐng)注意，這些同業(yè)務(wù)邏輯無關(guān)的操作的維護(hù)工作往往很費(fèi)時(shí)間。
Spring的闖入
一些Java開發(fā)者可能聽說過Spring提供的DAO抽象。當(dāng)然，一些開發(fā)者也有可能使用過它。借助于Spring提供的模板，開發(fā)者能夠使用DAO代碼的重用。借助于Spring AOP，開發(fā)者還能夠使用聲明式事務(wù)。因此，本文來研究Spring是如何實(shí)現(xiàn)以線程安全方式訪問RDBMS的。比如，Spring允許以JDBC、Hibernate、JDO、iBATIS、TopLink等方式訪問數(shù)據(jù)庫(kù)。如下給出的實(shí)例是企業(yè)應(yīng)用中很常見的情景。
首先，定義數(shù)據(jù)源和用于Hibernate SessionFactory。
id="propertyConfigurer" class="org.springframework.beans.factory.config.PropertyPlaceholderConfigurer">
WEB-INF/jdbc.properties
${jdbc.driverClassName}
${jdbc.url}
${jdbc.username}
${jdbc.password}
classpath:
net.sf.hibernate.dialect.HSQLDialect
true
這是使用Hibernate的典型配置，即通過定義的數(shù)據(jù)源連接到數(shù)據(jù)庫(kù)、通過本地SessionFactory創(chuàng)建Hibernate SessionFactory。接下來，需要定義業(yè)務(wù)對(duì)象（實(shí)現(xiàn)對(duì)DB的訪問）和事務(wù)管理器（通過Hibernate Session管理本地事務(wù)）。其中，業(yè)務(wù)對(duì)象暴露的方法能夠在數(shù)據(jù)庫(kù)中添加新的紀(jì)錄，而事務(wù)管理器能夠?qū)⒎椒ò谑聞?wù)中。它們的定義如下。
public interface CustomerDAO {
public void createCustomer(Customer customer);
}
public class HibernateCustomerDAO implements CustomerDAO {
private HibernateTemplate hibernateTemplate = null;
public void setSessionFactory(SessionFactory sessionFactory) {
this.hibernateTemplate = new HibernateTemplate(sessionFactory, false);
}
public void createCustomer(Customer customer) {
this.hibernateTemplate.save(customer);
}
}
開發(fā)者應(yīng)該已經(jīng)看到，上述類使用了Spring提供的HibernateTemplate。注意，模板的開發(fā)遵循了業(yè)界最佳實(shí)踐，并且將一些同業(yè)務(wù)不相關(guān)，但J2EE API規(guī)定要處理的那些代碼處理掉了。與此同時(shí)，它通過DAO抽象將受查異常轉(zhuǎn)換為非受查異常。當(dāng)然，Spring不只是為使用Hibernate提供模板，它還為JDBC、iBATIS、SqlMap、JDO、TopLink提供類似模板。由于這些模板類及其實(shí)例變量實(shí)現(xiàn)了可重入，即都是線程安全的，因此允許并發(fā)線程同時(shí)使用模板。使用這些模板不僅能夠?qū)崿F(xiàn)代碼的重用，還提供了最佳實(shí)踐。除了以線程安全方式訪問DB外，模板還提供了其他很多有意義的內(nèi)容。好了，來看看如何定義業(yè)務(wù)對(duì)象和事務(wù)管理器吧！
PROPAGATION_REQUIRED
PROPAGATION_REQUIRED
如果開發(fā)者對(duì)Spring中事務(wù)管理的配置不熟悉，則本文正好滿足你們。首先，上述Spring配置片斷定義了業(yè)務(wù)對(duì)象HibernateCustomerDAO，它包裹了Hibernate SessionFactory。注意，默認(rèn)時(shí)，Spring中定義的JavaBean都是單例的，HibernateCustomerDAO也不例外。這意味：多個(gè)線程可能同時(shí)執(zhí)行createCustomer()方法。
其次，配置了Hibernate事務(wù)管理器，它包裹了同一Hibernate SessionFactory實(shí)例。在事務(wù)管理器每次執(zhí)行時(shí)，它都會(huì)完成如下幾件事情。其一，檢查Hibernate Session是否綁定到當(dāng)前線程。如果已綁定，則直接使用它。如果還未綁定，事務(wù)管理器將告知Hibernate SessionFactory創(chuàng)建新的Session，然后將創(chuàng)建的Session綁定到當(dāng)前線程。其二，如果當(dāng)前沒有處于活動(dòng)的事務(wù)，則事務(wù)管理器將啟動(dòng)新的事務(wù)，并將Session包裹進(jìn)來。否則，直接參與到活動(dòng)事務(wù)中。
整個(gè)過程是通過使用Spring提供的TransactionProxyFactoryBean實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)然，這是一種以聲明方式實(shí)現(xiàn)的事務(wù)管理過程。TransactionProxyFactoryBean能夠?yàn)闃I(yè)務(wù)對(duì)象創(chuàng)建代理對(duì)象，從而通過事務(wù)管理器管理事務(wù)。當(dāng)每次通過代理對(duì)象調(diào)用createCustomer()方法時(shí)，事務(wù)管理器將根據(jù)事務(wù)屬性管理事務(wù)。當(dāng)前，Spring除了提供HibernateTransactionManager事務(wù)管理器外，還為JDBC數(shù)據(jù)源、JDO、TopLink提供了相應(yīng)的事務(wù)管理器。
好了，再來看看業(yè)務(wù)對(duì)象吧！當(dāng)調(diào)用createCustomer()方法時(shí)，HibernateTemplate將查找綁定到當(dāng)前線程的Hibernate Session。由于上述配置文件片斷傳入到HibernateTemplate構(gòu)建器的第二個(gè)參數(shù)為false，因此如果沒有綁定Hibernate Session，則將拋出未受查異常。這對(duì)于那些未正確配置事務(wù)管理功能的場(chǎng)和特別有用（注意，事務(wù)管理器很重要）。一旦事務(wù)管理配置好后，Hibernate Session將綁定到當(dāng)前線程，從而啟動(dòng)事務(wù)。請(qǐng)注意，HibernateTemplate不會(huì)去檢查事務(wù)是否激活，也不會(huì)顯示地啟動(dòng)或終止事務(wù)。也請(qǐng)注意，如果在聲明的方法（事務(wù)屬性中給出的）中拋出了未受查異常，則當(dāng)前活動(dòng)事務(wù)將回滾。至于事務(wù)屬性的研究，本文不再給出。
結(jié)論
最后，來總結(jié)一下Spring以線程安全方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問吧。通過使用事務(wù)管理和權(quán)衡ThreadLocal提供的功能，Spring將數(shù)據(jù)庫(kù)連接（JDBC連接、Hibernate Session、JDO持久化管理器）綁定到當(dāng)前線程，從而供DAO模板使用。本文在最開始研究了數(shù)據(jù)庫(kù)連接并沒有在線程間共享。Spring不僅提供了聲明式事務(wù)管理、J2EE API抽象、最佳實(shí)踐，而且其提供的模板是線程安全的。當(dāng)使用Spring訪問DB時(shí)，通過可重入實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的線程安全是最為可靠、常見的做法。 |