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java多线程设计模式详解之二

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 wait()/notify()

  通常,多线程之间需要协调工作。例如,浏览器的一个显示图片的线程displayThread想要执行显示图片的任务,必须等待下载线程downloadThread将该图片下载完毕。如果图片还没有下载完,displayThread可以暂停,当downloadThread完成了任务后,再通知displayThread“图片准备完毕,可以显示了”,这时,displayThread继续执行。

  以上逻辑简单的说就是:如果条件不满足,则等待。当条件满足时,等待该条件的线程将被唤醒。在Java中,这个机制的实现依赖于wait/notify。等待机制与锁机制是密切关联的。例如:

  synchronized(obj) {

  while(!condition) {

  obj.wait();

  }

  obj.doSomething();

  }

  当线程A获得了obj锁后,发现条件condition不满足,无法继续下一处理,于是线程A就wait()。

  在另一线程B中,如果B更改了某些条件,使得线程A的condition条件满足了,就可以唤醒线程A:

  synchronized(obj) {

  condition = true;

  obj.notify();

  }

  需要注意的概念是:

  # 调用obj的wait(), notify()方法前,必须获得obj锁,也就是必须写在synchronized(obj) {...} 代码段内。

  # 调用obj.wait()后,线程A就释放了obj的锁,否则线程B无法获得obj锁,也就无法在synchronized(obj) {...} 代码段内唤醒A。

  # 当obj.wait()方法返回后,线程A需要再次获得obj锁,才能继续执行。

  # 如果A1,A2,A3都在obj.wait(),则B调用obj.notify()只能唤醒A1,A2,A3中的一个(具体哪一个由JVM决定)。

  # obj.notifyAll()则能全部唤醒A1,A2,A3,但是要继续执行obj.wait()的下一条语句,必须获得obj锁,因此,A1,A2,A3只有一个有机会获得锁继续执行,例如A1,其余的需要等待A1释放obj锁之后才能继续执行。

  # 当B调用obj.notify/notifyAll的时候,B正持有obj锁,因此,A1,A2,A3虽被唤醒,但是仍无法获得obj锁。直到B退出synchronized块,释放obj锁后,A1,A2,A3中的一个才有机会获得锁继续执行。

  wait()/sleep()的区别

  前面讲了wait/notify机制,Thread还有一个sleep()静态方法,它也能使线程暂停一段时间。sleep与wait的不同点是:sleep并不释放锁,并且sleep的暂停和wait暂停是不一样的。obj.wait会使线程进入obj对象的等待集合中并等待唤醒。

  但是wait()和sleep()都可以通过interrupt()方法打断线程的暂停状态,从而使线程立刻抛出InterruptedException。

  如果线程A希望立即结束线程B,则可以对线程B对应的Thread实例调用interrupt方法。如果此刻线程B正在wait/sleep/join,则线程B会立刻抛出InterruptedException,在catch() {} 中直接return即可安全地结束线程。

  需要注意的是,InterruptedException是线程自己从内部抛出的,并不是interrupt()方法抛出的。对某一线程调用interrupt()时,如果该线程正在执行普通的代码,那么该线程根本就不会抛出InterruptedException。但是,一旦该线程进入到wait()/sleep()/join()后,就会立刻抛出InterruptedException。

  GuardedSuspention

  GuardedSuspention模式主要思想是:

  当条件不满足时,线程等待,直到条件满足时,等待该条件的线程被唤醒。

  我们设计一个客户端线程和一个服务器线程,客户端线程不断发送请求给服务器线程,服务器线程不断处理请求。当请求队列为空时,服务器线程就必须等待,直到客户端发送了请求。

  先定义一个请求队列:Queue

  package com.crackj2ee.thread;

  import java.util.*;

  public class Queue {

  private List queue = new LinkedList();

  public synchronized Request getRequest() {

  while(queue.size()==0) {

  try {

  this.wait();

  }

  catch(InterruptedException ie) {

  return null;

  }

  }

  return (Request)queue.remove(0);

  }

  public synchronized void putRequest(Request request) {

  queue.add(request);

  this.notifyAll();

  }

  }

  蓝色部分就是服务器线程的等待条件,而客户端线程在放入了一个request后,就使服务器线程等待条件满足,于是唤醒服务器线程。

  客户端线程:ClientThread

  package com.crackj2ee.thread;

  public class ClientThread extends Thread {

  private Queue queue;

  private String clientName;

  public ClientThread(Queue queue, String clientName) {

  this.queue = queue;

  this.clientName = clientName;

  }

  public String toString() {

  return "[ClientThread-" + clientName + "]";

  }

  public void run() {

  for(int i=0; i<100; i++) {

  Request request = new Request("" + (long)(Math.random()*10000));

  System.out.println(this + " send request: " + request);

  queue.putRequest(request);

  try {

  Thread.sleep((long)(Math.random() * 10000 + 1000));

  }

  catch(InterruptedException ie) {

  }

  }

  System.out.println(this + " shutdown.");

  }

  }

  服务器线程:ServerThread

  package com.crackj2ee.thread;

  public class ServerThread extends Thread {

  private boolean stop = false;

  private Queue queue;

  public ServerThread(Queue queue) {

  this.queue = queue;

  }

  public void shutdown() {

  stop = true;

  this.interrupt();

  try {

  this.join();

  }

  catch(InterruptedException ie) {}

  }

  public void run() {

  while(!stop) {

  Request request = queue.getRequest();

  System.out.println("[ServerThread] handle request: " + request);

  try {

  Thread.sleep(2000);

  }

  catch(InterruptedException ie) {}

  }

  System.out.println("[ServerThread] shutdown.");

  }

  }

  服务器线程在红色部分可能会阻塞,也就是说,Queue.getRequest是一个阻塞方法。这和java标准库的许多IO方法类似。

  最后,写一个Main来启动他们:

  package com.crackj2ee.thread;

  public class Main {

  public static void main(String[] args) {

  Queue queue = new Queue();

  ServerThread server = new ServerThread(queue);

  server.start();

  ClientThread[] clients = new ClientThread[5];

  for(int i=0; i<clients.length; i++) {

  clients[i] = new ClientThread(queue, ""+i);

  clients[i].start();

  }

  try {

  Thread.sleep(100000);

  }

  catch(InterruptedException ie) {}

  server.shutdown();

  }

  }

  我们启动了5个客户端线程和一个服务器线程,运行结果如下:

  [ClientThread-0] send request: Request-4984

  [ServerThread] handle request: Request-4984

  [ClientThread-1] send request: Request-2020

  [ClientThread-2] send request: Request-8980

  [ClientThread-3] send request: Request-5044

  [ClientThread-4] send request: Request-548

  [ClientThread-4] send request: Request-6832

  [ServerThread] handle request: Request-2020

  [ServerThread] handle request: Request-8980

  [ServerThread] handle request: Request-5044

  [ServerThread] handle request: Request-548

  [ClientThread-4] send request: Request-1681

  [ClientThread-0] send request: Request-7859

  [ClientThread-3] send request: Request-3926

  [ServerThread] handle request: Request-6832

  [ClientThread-2] send request: Request-9906

  ......

  可以观察到ServerThread处理来自不同客户端的请求。

  思考

  Q: 服务器线程的wait条件while(queue.size()==0)能否换成if(queue.size()==0)?

  A: 在这个例子中可以,因为服务器线程只有一个。但是,如果服务器线程有多个(例如Web应用程序有多个线程处理并发请求,这非常普遍),就会造成严重问题。

  Q: 能否用sleep(1000)代替wait()?

  A: 绝对不可以。sleep()不会释放锁,因此sleep期间别的线程根本没有办法调用getRequest()和putRequest(),导致所有相关线程都被阻塞。

  Q: (Request)queue.remove(0)可以放到synchronized() {}块外面吗?

  A: 不可以。因为while()是测试queue,remove()是使用queue,两者是一个原子操作,不能放在synchronized外面。

  总结

  多线程设计看似简单,实际上必须非常仔细地考虑各种锁定/同步的条件,稍不小心,就可能

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