Java Monitor Pattern設(shè)計模式.doc

Java Monitor Pattern本文從典型的 Monitor Object 設(shè)計模式入手,從一個新的視角,來探討 Java 語言的同步機制.本文將從兩個方面進行闡述：1、使用 C 語言來描述 Monitor Object 設(shè)計模式.Java 對于這樣一個典型的模式做了很好的語言層面的封裝,因此對于 Java 的開發(fā)者來說,很多關(guān)于該模式本身的東西被屏蔽掉了.本文試圖使用 Native C 語言,幫助讀者從本質(zhì)上對 Monitor object 設(shè)計模式有一個更全面的認識.2、結(jié)合 C 版本的 Monitor Object 設(shè)計模式,引領(lǐng)讀者對于 Java 同步機制有一個更深刻的認識,幫助讀者正確有效地使用 Java 同步機制.預(yù)備知識在開始正式討論之前,需要了解一些預(yù)備知識.什么是 RAII資源獲取即初始化（RAII, Resource Acquisition Is Initialization）是指,在一個對象的構(gòu)造函數(shù)中獲得資源 , 并且在該對象的析構(gòu)函數(shù)中釋放它.這個資源可以是對象、內(nèi)存、文件句柄或者其它類型.實現(xiàn)這種功能的類,我們就說它采用了資源獲取即初始化（RAII）的方式. RAII 是一種很典型的語言慣用法,被很多的 OO 語言所使用,下面是 C 的例子.清單 1. RAII Using Cclass Raii public: / Store a pointer to the resource and initialize the resource. Raii(Resource &resource) :m_pRes (&resource) m_pRes-initialize (); / Close the resource when the execution goes out of scope. virtual Raii() m_pRes-close (); private: / Pointer to the resource were managing. Resource *m_pRes; / . maybe need disallow copying and assignment . ;使用 RAII 的好處是：析構(gòu)函數(shù)由系統(tǒng)自動調(diào)用,這樣可以幫助我們自動地隱式釋放我們所獲取的資源.事情上,我們熟知的很多C技術(shù)都用到了這一設(shè)計模式,比如：智能指針 （Smart Pointer）,以及我們接下來要討論的范圍鎖 （Scoped Lock） .不同于 C ,Java 對象沒有析構(gòu)函數(shù),Java System 提供了 GC 來管理內(nèi)存資源.而對于像數(shù)據(jù)庫連接,Sockets 這樣類型的資源, Java 提供了 finalize（） 來處理.但是,請注意,Java 的 finalizer 與 C 的析構(gòu)函數(shù)是不同的,finalize（） 函數(shù)由 GC 異步地在某個恰當(dāng)?shù)臅r候調(diào)用,我們不能等同地使用 finalize（） 來實現(xiàn) C 里的 RAII .通常的做法是使用 Java 提供的 finally 語句塊.清單 2. RAII Using JavaMyResource res = null;try res = new MyResource(); / Use the resource finally /At exit point, close the resource. if (res != null) res.close(); 什么是區(qū)域鎖 （Scoped Lock）區(qū)域鎖是指線程執(zhí)行進入一個區(qū)域時,一個鎖將自動被獲取,當(dāng)該線程執(zhí)行離開這個區(qū)域時,這個鎖將被自動釋放. C 區(qū)域鎖的實現(xiàn)使用了 RAII 技術(shù) , 實現(xiàn)如下.清單 3. Scoped Lock Using Ctemplate class Guard public: / Store a pointer to the lock and acquire the lock. Guard (LOCK &lock) :m_pLlock (&lock), m_bOwner (false) m_pLlock-acquire (); m_bOwner = true; / Release the lock when the guard goes out of scope, / but only if succeeded. virtual Guard () if (m_bOwner) m_pLlock-release (); private: / Pointer to the lock were managing. LOCK *m_pLlock; / Records if the lock is held by this object. bool m_bOwner; / . maybe need disallow copying and assignment . ;Guard 是一個模板類,LOCK 類型指的是對操作系統(tǒng)提供的線程鎖的抽象,比如,在 Windows 平臺上,LOCK 可以是對 CRITICAL_SECTION 的封裝.Java 對于區(qū)域鎖模式在語言層面上已經(jīng)做了封裝,所以對于 Java 開發(fā)者來說,不必像 C 這樣來開發(fā)自己的區(qū)域鎖類,這就是我們所熟知的 synchronized 關(guān)鍵字.清單 4. Scoped Lock Using Javapublic int scopedLockSample() synchronized(this) try /do some work catch( MyException1 e) /no need release lock explicitly return -1; catch( MyException2 e) /no need release lock explicitly return -2; /other exceptions handling. return 0; synchronized 保證在進入該區(qū)域后,獲得對象鎖,不管最終該函數(shù)從哪里退出,該對象鎖都會被正確釋放.什么是條件變量 （Condition Variables）條件變量通常被一個線程用于使自己等待,直到一個涉及共享數(shù)據(jù)的條件表達式到達特定的狀態(tài).當(dāng)另外的協(xié)作線程指示共享數(shù)據(jù)的狀態(tài)已發(fā)生變化,調(diào)度器就喚醒在該條件變量上掛起的線程.于是新喚醒的線程重新對它的條件表達式進行求值,如果共享數(shù)據(jù)已到達合適狀態(tài),就恢復(fù)處理.以下是條件變量的 C 實現(xiàn).清單 5. Thread Condition Using Cclass Thread_Condition public: / Initialize the condition variable and associate it with the specified lock Thread_Condition (const Thread_Mutex &m) :m_obMutex(m) cond_init (&cond_, USYNC_THREAD, 0); / Destroy the condition variable. virtual Thread_Condition () cond_destroy (&cond_); / Wait for the to be notified / or until has elapsed. / if = 0 then wait indefinitely. void wait (Time_Value *timeout = 0) cond_timedwait(&cond_, &m_obMutex.m_lock,timeout = 0 ? 0 : timeout-msec (); / Notify one thread waiting on . void notify () cond_signal (&cond_); / Notify all threads waiting on . void notify_all () cond_broadcast (&cond_); private: / Solaris condition variable. cond_t cond_; / Reference to mutex lock. const Thread_Mutex &m_obMutex; ;Thread_Condition 的實現(xiàn)與操作系統(tǒng)提供的 API 密切相關(guān),以上的例子是基于 Solaris condition variable API 的面向?qū)ο蟮姆庋b.另外,這里的 Thread_Mutex 類型是對操作系統(tǒng)提供的線程鎖的面向?qū)ο蟮姆庋b （Thread_Mutex 類型就是 Guard 模板參數(shù) LOCK 所指向的類型 ） .而對于 Java,問題就變得簡單很多,你不需要去封裝自己的條件變量類,Java 的根類 Object 提供了 wait/notify/notifyAll 方法給開發(fā)者,很容易使用,這個我們在后面的討論中會看到.Monitor Object 設(shè)計模式 C 描述我們將從以下幾個方面來討論 Monitor Object 模式.問題描述我們在開發(fā)并發(fā)的應(yīng)用時,經(jīng)常需要設(shè)計這樣的對象,該對象的方法會在多線程的環(huán)境下被調(diào)用,而這些方法的執(zhí)行都會改變該對象本身的狀態(tài).為了防止競爭條件 （race condition） 的出現(xiàn),對于這類對象的設(shè)計,需要考慮解決以下問題： 在任一時間內(nèi),只有唯一的公共的成員方法,被唯一的線程所執(zhí)行. 對于對象的調(diào)用者來說,如果總是需要在調(diào)用方法之前進行拿鎖,而在調(diào)用方法之后進行放鎖,這將會使并發(fā)應(yīng)用編程變得更加困難.合理的設(shè)計是,該對象本身確保任何針對它的方法請求的同步被透明的進行,而不需要調(diào)用者的介入. 如果一個對象的方法執(zhí)行過程中,某些條件不能滿足而阻塞,應(yīng)該允許其它的客戶端線程的方法調(diào)用可以訪問該對象.我們使用 Monitor Object 設(shè)計模式來解決這類問題：將被客戶線程并發(fā)訪問的對象定義為一個 monitor 對象.客戶線程僅僅通過 monitor 對象的同步方法才能使用 monitor 對象定義的服務(wù).為了防止陷入競爭條件,在任一時刻只能有一個同步方法被執(zhí)行.每一個 monitor 對象包含一個 monitor 鎖,該鎖被同步方法用于串行訪問對象的行為和狀態(tài).此外,同步方法可以根據(jù)一個或多個與 monitor 對象相關(guān)的 monitor conditions 來決定在何種情況下掛起或恢復(fù)他們的執(zhí)行.結(jié)構(gòu)在 Monitor Object 模式中,主要有四種類型的參與者： 監(jiān)視者對象 （Monitor Object）： 負責(zé)定義公共的接口方法,這些公共的接口方法會在多線程的環(huán)境下被調(diào)用執(zhí)行. 同步方法：這些方法是監(jiān)視者對象所定義.為了防止競爭條件,無論是否同時有多個線程并發(fā)調(diào)用同步方法,還是監(jiān)視者對象含有多個同步方法,在任一時間內(nèi)只有監(jiān)視者對象的一個同步方法能夠被執(zhí)行. 監(jiān)視鎖 （Monitor Lock）： 每一個監(jiān)視者對象都會擁有一把監(jiān)視鎖. 監(jiān)視條件 （Monitor Condition）： 同步方法使用監(jiān)視鎖和監(jiān)視條件來決定方法是否需要阻塞或重新執(zhí)行.執(zhí)行序列圖在監(jiān)視者對象模式中,在參與者之間將發(fā)生如下的協(xié)作過程：1、 同步方法的調(diào)用和串行化.當(dāng)客戶線程調(diào)用監(jiān)視者對象的同步方法時,必須獲取它的監(jiān)視鎖.只要該監(jiān)視者對象有其他同步方法正在被執(zhí)行,獲取操作便不會成功.在這種情況下,客戶線程將被阻塞直到它獲取監(jiān)視鎖.當(dāng)客戶線程成功獲取監(jiān)視鎖后,進入臨界區(qū),執(zhí)行方法實現(xiàn)的服務(wù).一旦同步方法完成執(zhí)行,監(jiān)視鎖會被自動釋放,目的是使其他客戶線程有機會調(diào)用執(zhí)行該監(jiān)視者對象的同步方法.2、 同步方法線程掛起.如果調(diào)用同步方法的客戶線程必須被阻塞或是有其他原因不能立刻進行,它能夠在一個監(jiān)視條件上等待,這將導(dǎo)致該客戶線程暫時釋放監(jiān)視鎖,并被掛起在監(jiān)視條件上.3、監(jiān)視條件通知.一個客戶線程能夠通知一個監(jiān)視條件,目的是為了讓一個前期使自己掛起在一個監(jiān)視條件上的同步方法線程恢復(fù)運行.4、同步方法線程恢復(fù).一旦一個早先被掛起在監(jiān)視條件上的同步方法線程獲取通知,它將繼續(xù)在最初的等待監(jiān)視條件的點上執(zhí)行.在被通知線程被允許恢復(fù)執(zhí)行同步方法之前,監(jiān)視鎖將自動被獲取.圖 1 描述了監(jiān)視者對象的動態(tài)特性.示例在本節(jié)中,我們將使用監(jiān)視者對象設(shè)計模式來解決一個實際的問題.這是一個典型的生產(chǎn)者/消費者模式問題.假定我們有一個固定長度的消息隊列,該隊列會被多個生產(chǎn)者/消費者線程所操作,生產(chǎn)者線程負責(zé)將消息放入該隊列,而消費者線程負責(zé)從該對列中取出消息.清單 6. Message_Queue.hclass Message_Queue public: enum MAX_MESSAGES = 100/* . */ ; / 消息隊列中最大消息個數(shù)。當(dāng)達到這個數(shù)量時，消息隊列為滿狀態(tài)（full）。 Message_Queue(size_t max_messages = MAX_MESSAGES); virtual Message_Queue(); / 將消息放在隊列的末尾。如果隊列已滿。阻塞并的不等待 /* synchronized */ void put (const Message &msg); / 從隊列中獲得消息。如果隊列為空，阻塞直到非空 /* synchronized */ Message get(); / /檢查消息隊列是否為空 /* synchronized */ bool empty () const; / 檢查消息隊列是否已滿 /* synchronized */ bool full () const; private: / 注意：內(nèi)部方法是不同步的 void put_i (const Message &msg); Message get_i (); bool empty_i () const; bool full_i () const; private: /省略隊列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。可以是循環(huán)隊列或鏈表 size_t message_count_; size_t max_messages_; /在并發(fā)訪問期間，監(jiān)視鎖隊列內(nèi)部狀態(tài)，防止競爭條件 Mutable Thread_Mutex monitor_lock_; /條件變量和監(jiān)視鎖聯(lián)合使用使同步方法線程等待直到消息隊列不空 Thread_Condition not_empty_; /條件變量和監(jiān)視鎖聯(lián)合使用使同步方法線程等待直到消息隊列未滿 Thread_Condition not_full_;單 7. Message_Queue.cpp#include Message_Queue.hMessage_Queue:Message_Queue (size_t max_messages) :not_full_(monitor_lock_), not_empty_(monitor_lock_), max_messages_(max_messages), message_count_(0) bool Message_Queue:empty () const Guard guard (monitor_lock_); return empty_i ();bool Message_Queue:full () const Guard guard (monitor_lock_); return full_i ();void Message_Queue:put (const Message &msg) / Use the Scoped Locking idiom to acquire/release the upon/ entry/exit to the synchronized method. Guard guard (monitor_lock_);/ 等待直到隊列滿 while (full_i () /釋放監(jiān)視鎖，掛起調(diào)用線程，等待隊列中有多余空間 / 當(dāng)?shù)却祷貢r，自動獲得監(jiān)視鎖 not_full_.wait (); / 在消息隊列尾部加入消息 put_i (msg); / 通知在get時等待的線程消息隊列中有消息到達 not_empty_.notify (); / 析構(gòu)guard釋放監(jiān)視鎖。Message Message_Queue:get () / Use the Scoped Locking idiom to acquire/release the upon / entry/exit to the synchronized method. Guard guard (monitor_lock_); /消息隊列為空時等待 while (empty_i () / 釋放監(jiān)視鎖，掛起調(diào)用線程等待新的消息到來，wait返回時重新獲得監(jiān)視鎖。 not_empty_.wait (); / 獲取消息隊列中第一次消息，更新消息個數(shù) Message m = get_i (); / 通知在PUT中等待的線程，消息隊列中有空間可用（消息隊列未滿） not_full_.notify (); return m; / / 析構(gòu)guard釋放監(jiān)視鎖。bool Message_Queue:empty_i () const return message_count_ = 0; bool Message_Queue:full_i () const return message_count_ = max_messages_; Message_Queue:Message_Queue() Monitor Object Java 實踐認識 Java Monitor ObjectJava Monitor 從兩個方面來支持線程之間的同步,即：互斥執(zhí)行與協(xié)作. Java 使用對象鎖 （使用 synchronized 獲得對象鎖）保證工作在共享的數(shù)據(jù)集上的線程互斥執(zhí)行 , 使用 notify/notifyAll/wait 方法來協(xié)同不同線程之間的工作.這些方法在 Object 類上被定義,會被所有的 Java 對象自動繼承.實質(zhì)上,Java 的 Object 類本身就是監(jiān)視者對象,Java 語言對于這樣一個典型并發(fā)設(shè)計模式做了內(nèi)建的支持.不過,在 Java 里,我們已經(jīng)看不到了我們在 C 一節(jié)所討論的區(qū)域鎖與條件變量的概念.下圖很好地描述了 Java Monitor 的工作機理.圖 2. Java Monitor線程如果獲得監(jiān)視鎖成功,將成為該監(jiān)視者對象的擁有者.在任一時刻內(nèi),監(jiān)視者對象只屬于一個活動線程 （Owner） .擁有者線程可以調(diào)用 wait 方法自動釋放監(jiān)視鎖,進入等待狀態(tài).示例在本節(jié),我們將用 Java Monitor 來重新解決用 C 實現(xiàn)的生產(chǎn)者 / 消費者模式問題.清單 8. Message Classpublic class Message private static int OBJ_COUNT = 0; public int obj_index_; Message() synchronized(Message.class) OBJ_COUNT ; obj_index_ = OBJ_COUNT; Override public String toString() return message obj_index_ ; 清單 9. MessageQueue Classpublic class MessageQueue private int message_count_; private int max_messages_; private Message buffer_; private int in_ = 0, out_ = 0; public MessageQueue(int max_messages) max_messages_ = max_messages; message_count_ = 0; buffer_ = new Messagemax_messages_; synchronized boolean full () return full_i (); synchronized void put (Message msg) while (full_i () try System.out.println(thread+Thread.currentThread().getId()+ release monitor lock, wait for space in the queue）; wait(); catch (InterruptedException e) /do something. finally /do something. /end while. put_i(msg); notifyAll(); synchronized Message get() while (empty_i () try System.out.println(thread+Thread.currentThread().getId() + release monitor lock, wait for message in the queue); wait(); catch (InterruptedException e) /do something. finally /do something. /end while. Message m = get_i (); notifyAll(); return m; private boolean empty_i () return message_count_ = 0; private boolean full_i () return message_count_ = max_messages_; private void put_i (Message msg) System.out.println(thread +Thread.currentThread().getId() + put message to the queue)