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。但多線程程序會造成許多困難，剛開始編程的開發(fā)者常常會發(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？

一個程序或進(jìn)程能夠包含多個線程，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，就像在一臺計算機上運行著多個處理機一樣。在多處理機計算機上實現(xiàn)多線程時，它們確實可以并行工作。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，你必須注意每個線程是否干擾了其他線程的工作。可以將程序看作一個辦公室，如果不需要共享辦公室資源或與其他人交流，所有職員就會獨立并行地工作。某個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，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組織良好的機構(gòu)中工作的職員。

在多線程程序中，線程可以從準(zhǔn)備就緒隊列中得到，并在可獲得的系統(tǒng)CPU上運行。操作系統(tǒng)可以將線程從處理器移到準(zhǔn)備就緒隊列或阻塞隊列中，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(JVM)也可以控制線程的移動--在協(xié)作或搶先模型中--從準(zhǔn)備就緒隊列中將進(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線程何時會被其他線程掛起，允許它們與對方有效地合作。缺點在于某些惡意或是寫得不好的線程會消耗所有可獲得的CPU時間，導(dǎo)致其他線程“饑餓”.

在搶占式線程模型中，操作系統(tǒng)可以在任何時候打斷線程。通常會在它運行了一段時間(就是所謂的一個時間片)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間霸占處理器。然而，隨時可能打斷線程就會給程序開發(fā)員帶來其他麻煩。同樣使用辦公室的例子，假設(shè)某個職員搶在另一人前使用復(fù)印機，但打印工作在未完成的時候離開了，另一人接著使用復(fù)印機時，該復(fù)印機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Thread類(或其子類)的對象，并給這個對象發(fā)送start()消息。(程序可以向任何一個派生自Runnable接口的類對象發(fā)送start()消息。)每個線程動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;線程會持續(xù)運行，直到run()返回為止，此時該線程便死了。

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作。在Java程序中最簡單實現(xiàn)同步的方法就是上鎖。為了防止同時訪問共享資源，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)印機上鎖，任一時刻只有一個職員擁有鑰匙。若沒有鑰匙就不能使用復(fù)印機。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。某個線程若給一個對象上了鎖，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。那些試圖訪問一個上鎖對象的線程通常會進(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)程就會被喚醒并移到準(zhǔn)備就緒隊列中。

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。在任一時刻對于給定的類的實例，方法或同步的代碼塊只能被一個線程執(zhí)行。這是因為代碼在執(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)印資源實行同步。如同下列的代碼例子，任一時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)印機狀態(tài)。這個方法就是同步方法。只有一個線程能夠執(zhí)行一個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等候。

classCopyMachine{

publicsynchronizedvoidmakeCopies(Documentd,intnCopies){

//onlyonethreadexecutesthisatatime

}

publicvoidloadPaper(){

//multiplethreadscouldaccessthisatonce!

synchronized(this){

//onlyonethreadaccessesthisatatime

//feelfreetousesharedresources,overwritemembers,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？如果一個對象擁有多個資源，就不需要只為了讓一個線程使用其中一部分資源，就將所有線程都鎖在外面。由于每個對象都有鎖，可以如下所示使用虛擬對象來上鎖：

classFineGrainLock{

MyMemberClassx,y;

Objectxlock=newObject()，ylock=newObject();

publicvoidfoo(){

synchronized(xlock){

//accessxhere

}

//dosomethinghere-butdon'tusesharedresources

synchronized(ylock){

//accessyhere

}

}

publicvoidbar(){

synchronized(this){

//accessbothxandyhere

}

//dosomethinghere-butdon'tusesharedresources

}

}

若為了在方法級上同步，不能將整個方法聲明為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，可能有多個線程需要訪問數(shù)目很少的資源。假想在服務(wù)器上運行著若干個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數(shù)(countingsemaphore)。信號量計數(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數(shù)的計數(shù)器。例如我們可以將一個信號量初始化為可獲得的數(shù)據(jù)庫連接個數(shù)。一旦某個線程獲得了信號量，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，計數(shù)器就會加一。當(dāng)信號量控制的所有資源都已被占用時，若有線程試圖訪問此信號量，則會進(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“消費者-生產(chǎn)者問題”.當(dāng)一個線程進(jìn)行工作時，若另外一個線程訪問同一共享變量，就可能產(chǎn)生此問題。消費者線程只能在生產(chǎn)者線程完成生產(chǎn)后才能夠訪問數(shù)據(jù)。使用信號量來解決這個問題，就需要創(chuàng)建一個初始化為零的信號量，從而讓消費者線程訪問此信號量時發(fā)生阻塞。每當(dāng)完成單位工作時，生產(chǎn)者線程就會向該信號量發(fā)信號(釋放資源)。每當(dāng)消費者線程消費了單位生產(chǎn)結(jié)果并需要新的數(shù)據(jù)單元時，它就會試圖再次獲取信號量。因此信號量的值就總是等于生產(chǎn)完畢可供消費的數(shù)據(jù)單元數(shù)。這種方法比采用消費者線程不停檢查是否有可用數(shù)據(jù)單元的方法要高效得多。因為消費者線程醒來后，倘若沒有找到可用的數(shù)據(jù)單元，就會再度進(jìn)入睡眠狀態(tài)，這樣的操作系統(tǒng)開銷是非常昂貴的。

盡管信號量并未直接被Java語言所支持，卻很容易在給對象上鎖的基礎(chǔ)上實現(xiàn)。一個簡單的實現(xiàn)方法如下所示：

classSemaphore{

privateintcount;

publicSemaphore(intn){

this.count=n;

}

publicsynchronizedvoidacquire(){

while(count==0){

try{

wait();

}catch(InterruptedExceptione){

//keeptrying

}

}

count--;

}

publicsynchronizedvoidrelease(){

count++;

notify();//alertathreadthat'sblockingonthissemaphore

}

}

常見的上鎖問題

不幸的是，使用上鎖會帶來其他問題。讓我們來看一些常見問題以及相應(yīng)的解決方法：

死鎖。死鎖是一個經(jīng)典的多線程問題，因為不同的線程都在等待那些根本不可能被釋放的鎖，從而導(dǎo)致所有的工作都無法完成。假設(shè)有兩個線程，分別代表兩個饑餓的人，他們必須共享刀叉并輪流吃飯。他們都需要獲得兩個鎖：共享刀和共享叉的鎖。假如線程“A”獲得了刀，而線程“B”獲得了叉。線程A就會進(jìn)入阻塞狀態(tài)來等待獲得叉，而線程B則阻塞來等待A所擁有的刀。這只是人為設(shè)計的例子，但盡管在運行時很難探測到，這類情況卻時常發(fā)生。雖然要探測或推敲各種情況是非常困難的，但只要按照下面幾條規(guī)則去設(shè)計系統(tǒng)，就能夠避免死鎖問題：

讓所有的線程按照同樣的順序獲得一組鎖。這種方法消除了X和Y的擁有者分別等待對方的資源的問題。

將多個鎖組成一組并放到同一個鎖下。前面死鎖的例子中，可以創(chuàng)建一個銀器對象的鎖。于是在獲得刀或叉之前都必須獲得這個銀器的鎖。

將那些不會阻塞的可獲得資源用變量標(biāo)志出來。當(dāng)某個線程獲得銀器對象的鎖時，就可以通過檢查變量來判斷是否整個銀器集合中的對象鎖都可獲得。如果是，它就可以獲得相關(guān)的鎖，否則，就要釋放掉銀器這個鎖并稍后再嘗試。

最重要的是，在編寫代碼前認(rèn)真仔細(xì)地設(shè)計整個系統(tǒng)。多線程是困難的，在開始編程之前詳細(xì)設(shè)計系統(tǒng)能夠幫助你避免難以發(fā)現(xiàn)死鎖的問題。

Volatile變量。volatile關(guān)鍵字是Java語言為優(yōu)化編譯器設(shè)計的。以下面的代碼為例：

classVolatileTest{

publicvoidfoo(){

booleanflag=false;

if(flag){

//thiscouldhappen

}

}

}

一個優(yōu)化的編譯器可能會判斷出if部分的語句永遠(yuǎn)不會被執(zhí)行，就根本不會編譯這部分的代碼。如果這個類被多線程訪問，flag被前面某個線程設(shè)置之后，在它被if語句測試之前，可以被其他線程重新設(shè)置。用volatile關(guān)鍵字來聲明變量，就可以告訴編譯器在編譯的時候，不需要通過預(yù)測變量值來優(yōu)化這部分的代碼。

無法訪問的線程有時候雖然獲取對象鎖沒有問題，線程依然有可能進(jìn)入阻塞狀態(tài)。在Java編程中IO就是這類問題最好的例子。當(dāng)線程因為對象內(nèi)的IO調(diào)用而阻塞時，此對象應(yīng)當(dāng)仍能被其他線程訪問。該對象通常有責(zé)任取消這個阻塞的IO操作。造成阻塞調(diào)用的線程常常會令同步任務(wù)失敗。如果該對象的其他方法也是同步的，當(dāng)線程被阻塞時，此對象也就相當(dāng)于被冷凍住了。其他的線程由于不能獲得對象的鎖，就不能給此對象發(fā)消息(例如，取消IO操作)。必須確保不在同步代碼中包含那些阻塞調(diào)用，或確認(rèn)在一個用同步阻塞代碼的對象中存在非同步方法。盡管這種方法需要花費一些注意力來保證結(jié)果代碼安全運行，但它允許在擁有對象的線程發(fā)生阻塞后，該對象仍能夠響應(yīng)其他線程。

為不同的線程模型進(jìn)行設(shè)計

判斷是搶占式還是協(xié)作式的線程模型，取決于虛擬機的實現(xiàn)者，并根據(jù)各種實現(xiàn)而不同。因此，Java開發(fā)員必須編寫那些能夠在兩種模型上工作的程序。

正如前面所提到的，在搶占式模型中線程可以在代碼的任何一個部分的中間被打斷，除非那是一個原子操作代碼塊。原子操作代碼塊中的代碼段一旦開始執(zhí)行，就要在該線程被換出處理器之前執(zhí)行完畢。在Java編程中，分配一個小于32位的變量空間是一種原子操作，而此外象double和long這兩個64位數(shù)據(jù)類型的分配就不是原子的。使用鎖來正確同步共享資源的訪問，就足以保證一個多線程程序在搶占式模型下正確工作。

而在協(xié)作式模型中，是否能保證線程正常放棄處理器，不掠奪其他線程的執(zhí)行時間，則完全取決于程序員。調(diào)用yield()方法能夠?qū)?dāng)前的線程從處理器中移出到準(zhǔn)備就緒隊列中。另一個方法則是調(diào)用sleep()方法，使線程放棄處理器，并且在sleep方法中指定的時間間隔內(nèi)睡眠。

正如你所想的那樣，將這些方法隨意放在代碼的某個地方，并不能夠保證正常工作。如果線程正擁有一個鎖(因為它在一個同步方法或代碼塊中)，則當(dāng)它調(diào)用yield()時不能夠釋放這個鎖。這就意味著即使這個線程已經(jīng)被掛起，等待這個鎖釋放的其他線程依然不能繼續(xù)運行。為了緩解這個問題，最好不在同步方法中調(diào)用yield方法。將那些需要同步的代碼包在一個同步塊中，里面不含有非同步的方法，并且在這些同步代碼塊之外才調(diào)用yield.

另外一個解決方法則是調(diào)用wait()方法，使處理器放棄它當(dāng)前擁有的對象的鎖。如果對象在方法級別上使同步的，這種方法能夠很好的工作。因為它僅僅使用了一個鎖。如果它使用fine-grained鎖，則wait()將無法放棄這些鎖。此外，一個因為調(diào)用wait()方法而阻塞的線程，只有當(dāng)其他線程調(diào)用notifyAll()時才會被喚醒。

線程和AWT/Swing

在那些使用Swing和/或AWT包創(chuàng)建GUI(用戶圖形界面)的Java程序中，AWT事件句柄在它自己的線程中運行。開發(fā)員必須注意避免將這些GUI線程與較耗時間的計算工作綁在一起，因為這些線程必須負(fù)責(zé)處理用戶時間并重繪用戶圖形界面。換句話來說，一旦GUI線程處于繁忙，整個程序看起來就象無響應(yīng)狀態(tài)。Swing線程通過調(diào)用合適方法，通知那些Swingcallback(例如MouseListener和ActionListener)。這種方法意味著listener無論要做多少事情，都應(yīng)當(dāng)利用listenercallback方法產(chǎn)生其他線程來完成此項工作。目的便在于讓listenercallback更快速返回，從而允許Swing線程響應(yīng)其他事件。

如果一個Swing線程不能夠同步運行、響應(yīng)事件并重繪輸出，那怎么能夠讓其他的線程安全地修改Swing的狀態(tài)？正如上面提到的，Swingcallback在Swing線程中運行。因此他們能修改Swing數(shù)據(jù)并繪到屏幕上。

但是如果不是Swingcallback產(chǎn)生的變化該怎么辦呢？使用一個非Swing線程來修改Swing數(shù)據(jù)是不安全的。Swing提供了兩個方法來解決這個問題：invokeLater()和invokeAndWait()。為了修改Swing狀態(tài)，只要簡單地調(diào)用其中一個方法，讓Runnable的對象來做這些工作。因為Runnable對象通常就是它們自身的線程，你可能會認(rèn)為這些對象會作為線程來執(zhí)行。但那樣做其實也是不安全的。事實上，Swing會將這些對象放到隊列中，并在將來某個時刻執(zhí)行它的run方法。這樣才能夠安全修改Swing狀態(tài)。

總結(jié)

Java語言的設(shè)計，使得多線程對幾乎所有的Applet都是必要的。特別是，IO和GUI編程都需要多線程來為用戶提供完美的體驗。如果依照本文所提到的若干基本規(guī)則，并在開始編程前仔細(xì)設(shè)計系統(tǒng)--包括它對共享資源的訪問等，你就可以避免許多常見和難以發(fā)覺的線程陷阱。