Servlet的线程安全问题

沧海珂迹

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概述
在探讨java线程安全前，让我们先简要介绍一下Java语言。
任何语言，如C++，C#，Java，它们都有相通之处，特别是语法，但如果有人问你，Java语言的核心是什么？类库？关键字？语法？似乎都不是。 Java语言的核心，也就是Sun始终不愿意开源的东西：Java虚拟机的实现（不过sun公开了其Java虚拟机规范），也就有了BEA的 JRockit，IBM的Jikes，Sun的Hotspot。
Java的核心有两点，Java类加载（Java Class Loader）和Java内存管理，它们具体体现在Java类库的以下几个类：
java.lang.ClassLoader（java.lang.Class）：我们调用的类，包括其接口和超类，import的类是怎么被Java虚拟机载入的？为什么static的字段在servlet容器里面可以一直生存下去（Spring容器中）？
java.lang.Thread(java.lang.ThreadLocal)：垃圾回收是怎么进行的（垃圾回收线程）？我们的程序是怎么退出的？
java.lang.refelect.Proxy（java.lang.refelect.Method）：为什么Tomcat、Tapestry、 Webwork、Spring等容器和框架可以通过配置文件来调用我们写的类？Servlet规范、JSF规范、EJB规范、JDBC规范究竟是怎么回事？为什么它们几乎都是一些接口，而不是具体类？

Servlet线程安全
在Java的server side开发过程中，线程安全（Thread Safe）是一个尤为突出的问题。因为容器，如Servlet、EJB等一般都是多线程运行的。虽然在开发过程中，我们一般不考虑这些问题，但诊断问题（Robust），程序优化（Performance），我们必须深入它们。
什么是线程安全？
Thread-safe describes a program portion or routine that can be called from multiple programming threads without unwanted interaction between the threads。
在Java里，线程安全一般体现在两个方面：
1、多个thread对同一个java实例的访问（read和modify）不会相互干扰，它主要体现在关键字synchronized。如 ArrayList和Vector，HashMap和Hashtable（后者每个方法前都有synchronized关键字）。如果你在 interator一个List对象时，其它线程remove一个element，问题就出现了。
2、每个线程都有自己的字段，而不会在多个线程之间共享。它主要体现在java.lang.ThreadLocal类，而没有Java关键字支持，如像static、transient那样。

一个普遍的疑问，我们的Servlet中能够像JavaBean那样declare instance或static字段吗？如果不可以？会引发什么问题？
答案是：不可以。我们下面以实例讲解：
首先，我们写一个普通的Servlet，里面有instance字段count：

public class SimpleServlet extends HttpServlet
{
       // A variable that is NOT thread-safe!
       private int counter = 0;

       public void doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException
       {
              doPost(req, resp);
       }

       public void doPost(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException
       {
              resp.getWriter().println("<HTML><BODY>");
              resp.getWriter().println(this + " ==> ");
              resp.getWriter().println(Thread.currentThread() + ": <br>");
              for (int c = 0; c < 10; c++)
              {
                     resp.getWriter().println("Counter = " + counter + "<BR>");
                     try
                     {
                            Thread.sleep((long) Math.random() * 1000);
                            counter++;
                     }
                     catch (InterruptedException exc)
                     {
                     }
              }
              resp.getWriter().println("</BODY></HTML>");
       }
}

然后，我们通过一个html页面向该servlet发出三次请求：

<HTML>
<BODY>
<TABLE>
    <TR>
        <TD><IFRAME src="./SimpleServlet" name="servlet1" height="200%"> </IFRAME></TD>
    </TR>
    <TR>
        <TD><IFRAME src="./SimpleServlet" name="servlet2" height="200%"> </IFRAME></TD>
    </TR>
    <TR>
        <TD><IFRAME src="./SimpleServlet" name="servlet3" height="200%"> </IFRAME></TD>
    </TR>
</TABLE>
</BODY>
</HTML>

刷新页面几次后，产生的结果为：

com.zwchen.servlet.SimpleServlet@11e1bbf ==> Thread[http-8081-Processor23,5,main]:
Counter = 60
Counter = 61
Counter = 62
Counter = 65
Counter = 68
Counter = 71
Counter = 74
Counter = 77
Counter = 80
Counter = 83

com.zwchen.servlet.SimpleServlet@11e1bbf ==> Thread[http-8081-Processor22,5,main]:
Counter = 61
Counter = 63
Counter = 66
Counter = 69
Counter = 72
Counter = 75
Counter = 78
Counter = 81
Counter = 84
Counter = 87

com.zwchen.servlet.SimpleServlet@11e1bbf ==> Thread[http-8081-Processor24,5,main]:
Counter = 61
Counter = 64
Counter = 67
Counter = 70
Counter = 73
Counter = 76
Counter = 79
Counter = 82
Counter = 85
Counter = 88

我们会发现三点：
servlet只产生了一个Servlet对象，因为输出this时，其hashcode都一样，
servlet在不同的线程（线程池）中运行，如http-8081-Processor22，http-8081-Processor23
Count被这三个doGet方法共享，并且并行修改。

上面的结果，违反了线程安全的两个方面。
那么，我们怎样保证按照我们期望的结果运行呢？首先，我想保证产生的count都是顺序执行的。
我们将Servlet代码重构如下：

public class SimpleServlet extends HttpServlet
{
  //A variable that is NOT thread-safe!
  private int counter = 0;
  private String mutex = "";

  public void doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp)
    throws ServletException, IOException
  {
    doPost(req, resp);
  }

  public void doPost(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp)
    throws ServletException, IOException
  {
    resp.getWriter().println("<HTML><BODY>");
    resp.getWriter().println(this + ": <br>");
    synchronized (mutex)
    {   

      for (int c = 0; c < 10; c++)
      {
        resp.getWriter().println("Counter = " + counter + "<BR>");
        try
          {
          Thread.sleep((long) Math.random() * 1000);
          counter++;
        }
        catch (InterruptedException exc) { }
      }
    }
    resp.getWriter().println("</BODY></HTML>");
  }
}

我们的输出结果为：

com.zwchen.servlet.SimpleServlet@109da93:
Counter = 0
Counter = 1
Counter = 2
Counter = 3
Counter = 4
Counter = 5
Counter = 6
Counter = 7
Counter = 8
Counter = 9

com.zwchen.servlet.SimpleServlet@109da93:
Counter = 10
Counter = 11
Counter = 12
Counter = 13
Counter = 14
Counter = 15
Counter = 16
Counter = 17
Counter = 18
Counter = 19

com.zwchen.servlet.SimpleServlet@109da93:
Counter = 20
Counter = 21
Counter = 22
Counter = 23
Counter = 24
Counter = 25
Counter = 26
Counter = 27
Counter = 28
Counter = 29

这符合了我们的要求，输出都是按顺序的，这正式synchronized的含义。
附带说一下，我现在synchronized的是一个字符串变量mutex，不是this对象，这主要是从performance和 Scalability考虑。Synchronized用在this对象上，会带来严重的可伸缩性的问题（Scalability），所有的并发请求都要排队！

现在，我们保证了顺序，但是我们怎么保证Counter字段（不是局部变量！）在每个Servlet的线程下都是独立的呢？也就是说，并发请求时，它们都不相互干扰。
我现在将Servlet代码重构如下：

public class SimpleServlet extends HttpServlet
{
       private ThreadLocal counter = new ThreadLocal() {
              protected synchronized Object initialValue()
              {
                     return new Integer(0);
              }
       };

       public void doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException
       {
              doPost(req, resp);
       }

       public void doPost(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException
       {
              resp.getWriter().println("<HTML><BODY>");
              resp.getWriter().println(this + "[" + Thread.currentThread() + "]: <br>");
              for (int c = 0; c < 10; c++)
              {

                     resp.getWriter().println(counter.get() + "<br>");
                     try
                     {
                            Thread.sleep((long) Math.random() * 1000);
                            int c1 = ((Integer)counter.get()).intValue();
                            c1++;
                            counter.set(new Integer(c1));
                     }
                     catch (InterruptedException exc)
                     {
                     }

              }
              resp.getWriter().println("</BODY></HTML>");
       }
}

现在，我刷新html页面三次，第三次结果如下：

com.zwchen.servlet.SimpleServlet@124e935[Thread[http-8081-Processor22,5,main]]:
20
21
22
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com.zwchen.servlet.SimpleServlet@124e935[Thread[http-8081-Processor25,5,main]]:
20
21
22
23
24
25
26
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29
com.zwchen.servlet.SimpleServlet@124e935[Thread[http-8081-Processor23,5,main]]:
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29

从以上结果，我们可以发现：
1、在该html页面内的并发三次请求中，该Servlet里面的counter字段都不相互干扰
2、 counter字段还是实例字段，并且都会保留状态，不是每次都用0开始
3、 html页面内的三次请求都在不同的线程，但在同一个实例中。
总之，在Java里面，字段（不是局部变量）有三个共享范围：instance field，static field，local thread field，而后者往往在服务器端这种多线程环境必须考虑到的。

在J2EE项目开发过程中，ThreadLocal类有时有非常重要的作用，下面是我碰到的，但可以延伸：
1、           在用Hibernate做web开发的持久化时，有个模式叫做Open Session In View，也就是将session保留到页面中，在response结束后，在OpenSessionInViewFilter中关闭session，这对于延迟加载非常有效，例如，我们在页面上显示User的详细信息，需要显示该user的所属Department的信息; 但是，在list users这种不需要显示department信息的地方，那个user的department信息就不会加载，也就是说加载相关信息是动态的，但不会出现LazyInitializationException，也就是Load on demand。不过，注意慎用该模式。
2、           在工作流开发，例如OSWorflow，每次调用其服务前，都需要将caller对象传入，这样会导致我们的方法非常臃肿，如果我们在调用该方法的上层，如在Servlet里调用它之前，将User对象置于ThreadLocal中，那么可以在工作流方法内通过get()方法获取，而不用传入参数。
3、           为什么Web框架中，Webwork的action中可以有field，但Struts却不能？其实，也就是说，Struts不是线程安全的，而Webwork是线程安全的。大家可以参考Webwork的ActionContext类：
public class ActionContext implements Serializable {
static ThreadLocal actionContext = new ActionContextThreadLocal();
……………..
而对于Struts，我们可以从ActionServlet.process() => RequestProcessor. processActionPerform，在RequestProcessor中有字段 protected

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2011-09-21 16:00
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