編寫多線程Java應(yīng)用程序常見問題

1、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(huì)造成許多困難,剛開始編程的開發(fā)者常常會(huì)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(shí)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(gè)程序或進(jìn)程能夠包含多個(gè)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(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行著多個(gè)處理機(jī)一樣。在多處理機(jī)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)多線程時(shí),它們確實(shí)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(gè)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(shí),

2、你必須注意每個(gè)線程是否干擾了其他線程的工作?？梢詫⒊绦蚩醋饕粋€(gè)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(huì)獨(dú)立并行地工作。某個(gè)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(jī)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(shí),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(gè)組織良好的機(jī)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(duì)列中得到,并在可獲得的系統(tǒng) CPU 上運(yùn)行。操作系統(tǒng)可以將線程從處理器移到準(zhǔn)備就緒隊(duì)列或阻塞隊(duì)列中,這種情況可以認(rèn)為是處理器“掛起”了該線程。同樣,Jav

3、a 虛擬機(jī) (JVM 也可以控制線程的移動(dòng)在協(xié)作或搶先模型中從準(zhǔn)備就緒隊(duì)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(shí)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(gè)線程何時(shí)會(huì)被其他線程掛起,允許它們與對(duì)方有效地合作。缺點(diǎn)在于某些惡意或是寫得不好的線程會(huì)消耗所有可獲得的 CPU 時(shí)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(shí)候打斷線程。通常會(huì)在它運(yùn)行了一段時(shí)間(就是所謂的一個(gè)時(shí)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(shí)間霸占處理器。然而,隨時(shí)可能打斷線程就會(huì)給程序開發(fā)員帶來其他麻煩。同樣使用辦公室

4、的例子,假設(shè)某個(gè)職員搶在另一人前使用復(fù)印機(jī),但打印工作在未完成的時(shí)候離開了,另一人接著使用復(fù)印機(jī)時(shí),該復(fù)印機(jī)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(shí)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(yùn)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(jì)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(gè) Thread 類(或其子類的對(duì)象,并給這個(gè)對(duì)象發(fā)送 start( 消息。(程序可以向任何一個(gè)派生自 Runnable 接口的類對(duì)象發(fā)送sta

5、rt( 消息。每個(gè)線程動(dòng)作的定義包含在該線程對(duì)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(huì)持續(xù)運(yùn)行,直到 run( 返回為止,此時(shí)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(dòng)作。在 Java 程序中最簡單實(shí)現(xiàn)同步的方法就是上鎖。為了防止同時(shí)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(jī)上鎖,任一時(shí)刻只有一個(gè)職員擁有鑰匙。若沒有鑰匙就不能使用復(fù)印機(jī)。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(gè)線程若給一個(gè)對(duì)象上了鎖,就可以知道沒有其他線程能夠訪問該對(duì)象。即使在搶占式模型中,其他線程也不能夠訪問此

6、對(duì)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(gè)上鎖對(duì)象的線程通常會(huì)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(huì)被喚醒并移到準(zhǔn)備就緒隊(duì)列中。在 Java 編程中,所有的對(duì)象都有鎖。線程可以使用 synchronized 關(guān)鍵字來獲得鎖。在任一時(shí)刻對(duì)于給定的類的實(shí)例,方法或同步的代碼塊只能被一個(gè)線程執(zhí)行。這是因?yàn)榇a在執(zhí)行之前要求獲得對(duì)象的鎖。繼續(xù)我們關(guān)于復(fù)印機(jī)的比喻,為了避免復(fù)印沖突,我們可以簡單地對(duì)復(fù)印資源實(shí)行同步。如同下列的代碼例子,任一時(shí)刻只允許一位職員使用復(fù)印資源。通過使用方法(在 Copier 對(duì)象中來修改復(fù)印機(jī)狀態(tài)。這個(gè)方法就是同步方法。只有一個(gè)線程

7、能夠執(zhí)行一個(gè) Copier 對(duì)象中同步代碼,因此那些需要使用 Copier 對(duì)象的職員就必須排隊(duì)等候。class CopyMachine public synchronized void makeCopies(Document d, int nCopies / only one thread executes this at a timepublic void loadPaper( / multiple threads could access this at once!synchronized(this / only one thread accesses this at a time/ f

8、eel free to use shared resources, overwrite members, etc.Fine-grain 鎖在對(duì)象級(jí)使用鎖通常是一種比較粗糙的方法。為什么要將整個(gè)對(duì)象都上鎖,而不允許其他線程短暫地使用對(duì)象中其他同步方法來訪問共享資源?如果一個(gè)對(duì)象擁有多個(gè)資源,就不需要只為了讓一個(gè)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(gè)對(duì)象都有鎖,可以如下所示使用虛擬對(duì)象來上鎖:class FineGrainLock MyMemberClass x, y;Object xlock = new Object(, ylock = new Object(;public v

9、oid foo( synchronized(xlock / access x here/ do something here - but dont use shared resourcessynchronized(ylock / access y herepublic void bar( synchronized(this / access both x and y here/ do something here - but dont use shared resources若為了在方法級(jí)上同步,不能將整個(gè)方法聲明為 synchronized 關(guān)鍵字。它們使用的是成員鎖,而不是 synchro

10、nized 方法能夠獲得的對(duì)象級(jí)鎖。信號(hào)量通常情況下,可能有多個(gè)線程需要訪問數(shù)目很少的資源。假想在服務(wù)器上運(yùn)行著若干個(gè)回答客戶端請(qǐng)求的線程。這些線程需要連接到同一數(shù)據(jù)庫,但任一時(shí)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(hào)量計(jì)數(shù)(counting semaphore。信號(hào)量計(jì)數(shù)將一組可獲得資源的管理封裝起來。信號(hào)量是在簡單上鎖的基礎(chǔ)上實(shí)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(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)器。例如我們可以將一個(gè)信號(hào)量初始化為可獲得的數(shù)據(jù)庫連接個(gè)數(shù)。一旦某個(gè)線程獲得了信號(hào)

11、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(shí),計(jì)數(shù)器就會(huì)加一。當(dāng)信號(hào)量控制的所有資源都已被占用時(shí),若有線程試圖訪問此信號(hào)量,則會(huì)進(jìn)入阻塞狀態(tài),直到有可用資源被釋放。信號(hào)量最常見的用法是解決“消費(fèi)者-生產(chǎn)者問題”。當(dāng)一個(gè)線程進(jìn)行工作時(shí),若另外一個(gè)線程訪問同一共享變量,就可能產(chǎn)生此問題。消費(fèi)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(hào)量來解決這個(gè)問題,就需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)初始化為零的信號(hào)量,從而讓消費(fèi)者線程訪問此信號(hào)量時(shí)發(fā)生阻塞。每當(dāng)完成單位工作時(shí),生產(chǎn)者線程就會(huì)向該信號(hào)量發(fā)信號(hào)(釋放資源。每當(dāng)消費(fèi)者線程消費(fèi)了單位生產(chǎn)結(jié)果并需要新的數(shù)據(jù)單元時(shí),它就會(huì)試圖再次獲取信號(hào)量。因此信號(hào)

12、量的值就總是等于生產(chǎn)完畢可供消費(fèi)的數(shù)據(jù)單元數(shù)。這種方法比采用消費(fèi)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?yàn)橄M(fèi)者線程醒來后,倘若沒有找到可用的數(shù)據(jù)單元,就會(huì)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(hào)量并未直接被 Java 語言所支持,卻很容易在給對(duì)象上鎖的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。一個(gè)簡單的實(shí)現(xiàn)方法如下所示:class Semaphore private int count;public Semaphore(int n this.count = n;public synchronized void acquire( while(count = 0 try wait(; catch

13、 (InterruptedException e / keep tryingcount-;public synchronized void release( count+;n otify(; / alert a thread thats blocking on this semaphore常見的上鎖問題不幸的是,使用上鎖會(huì)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(gè)經(jīng)典的多線程問題,因?yàn)椴煌木€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(gè)線程,分別代表兩個(gè)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(gè)鎖:共享刀和共享叉的鎖。

14、假如線程 "A" 獲得了刀,而線程 "B" 獲得了叉。線程 A 就會(huì)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(jì)的例子,但盡管在運(yùn)行時(shí)很難探測(cè)到,這類情況卻時(shí)常發(fā)生。雖然要探測(cè)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(jì)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(duì)方的資源的問題。將多個(gè)鎖組成一組并放到同一個(gè)鎖下。前面死鎖的例子中,可以創(chuàng)建一個(gè)銀器對(duì)象的鎖。于是在獲得刀或叉之前都必須獲得這個(gè)銀器的鎖。將那些不會(huì)阻塞的可獲得資源用變量標(biāo)志出來。

15、當(dāng)某個(gè)線程獲得銀器對(duì)象的鎖時(shí),就可以通過檢查變量來判斷是否整個(gè)銀器集合中的對(duì)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(gè)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(jì)整個(gè)系統(tǒng)。多線程是困難的,在開始編程之前詳細(xì)設(shè)計(jì)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(jì)的。以下面的代碼為例:class VolatileTest public void foo( boolean flag = false;if(flag / this could happen一個(gè)優(yōu)化的編譯器可能會(huì)判斷出 if 部分的

16、語句永遠(yuǎn)不會(huì)被執(zhí)行,就根本不會(huì)編譯這部分的代碼。如果這個(gè)類被多線程訪問,flag 被前面某個(gè)線程設(shè)置之后,在它被 if 語句測(cè)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(shí)候,不需要通過預(yù)測(cè)變量值來優(yōu)化這部分的代碼。無法訪問的線程有時(shí)候雖然獲取對(duì)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?yàn)閷?duì)象內(nèi)的 IO 調(diào)用而阻塞時(shí),此對(duì)象應(yīng)當(dāng)仍能被其他線程訪問。該對(duì)象通常有責(zé)任取消這個(gè)阻塞的 IO 操作。造成阻塞調(diào)用的線程常常會(huì)令同步任務(wù)失敗。如果該對(duì)象的其他方法也是同步的,當(dāng)線程被阻塞時(shí),此對(duì)象也

17、就相當(dāng)于被冷凍住了。其他的線程由于不能獲得對(duì)象的鎖,就不能給此對(duì)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(gè)用同步阻塞代碼的對(duì)象中存在非同步方法。盡管這種方法需要花費(fèi)一些注意力來保證結(jié)果代碼安全運(yùn)行,但它允許在擁有對(duì)象的線程發(fā)生阻塞后,該對(duì)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(jì)判斷是搶占式還是協(xié)作式的線程模型,取決于虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)者,并根據(jù)各種實(shí)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(gè)部分的中間被打斷,除非那是一個(gè)原子操作代碼塊。原子操作代碼塊中的代碼段一旦開

18、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(gè)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(gè) 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(gè)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(shí)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(duì)列中。另一個(gè)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(shí)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(gè)地方

19、,并不能夠保證正常工作。如果線程正擁有一個(gè)鎖(因?yàn)樗谝粋€(gè)同步方法或代碼塊中,則當(dāng)它調(diào)用 yield( 時(shí)不能夠釋放這個(gè)鎖。這就意味著即使這個(gè)線程已經(jīng)被掛起,等待這個(gè)鎖釋放的其他線程依然不能繼續(xù)運(yùn)行。為了緩解這個(gè)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(gè)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(gè)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(duì)象的鎖。如果對(duì)象在方法級(jí)別上使同步的,這種方法能夠很好的工作。因?yàn)樗鼉H僅使用了一個(gè)鎖。如果它使用 fine-grained 鎖,則 wait( 將無法放棄這些鎖。此外,一個(gè)因?yàn)檎{(diào)用 wait( 方法而阻塞的線程,只有當(dāng)其他線程調(diào)用 notifyAll( 時(shí)才會(huì)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(yùn)行。開發(fā)員必須注意避免將這些 GUI 線程與較耗時(shí)間的計(jì)算工作綁在一起,因?yàn)檫@些線程必須負(fù)責(zé)處理用戶