注:本文的主要参考资料为结城浩所著《JAVA多线程设计模式》。
单线程执行模式(Single Threaded Execution Pattern)是最简单的多线程设计模式,几乎所有其他的模式都在不同程度上应用了该模式。先看一个程序,通过它可以体验多线程程序无法正确执行的场景,这里所写的是个关于“只能单个通过的门”的程序:有三个人频繁地、反复地经过一个只能容许单人经过的门,当人通过门的时候,这个程序显示出通过人的“姓名”与“出生地”,其代码如下:
public class Gate {
private int counter = 0;
private String name = "Nobody";
private String address = "Nowhere";
public void pass(String name, String address) {
this.counter++;
this.name = name;
this.address = address;
check();
}
public String toString() {
return "No." + counter + ": " + name + ", " + address;
}
private void check() {
if (name.charAt(0) != address.charAt(0)) {
System.out.println("***** BROKEN ***** " + toString());
}
}
}
public class UserThread extends Thread {
private final Gate gate;
private final String myname;
private final String myaddress;
public UserThread(Gate gate, String myname, String myaddress) {
this.gate = gate;
this.myname = myname;
this.myaddress = myaddress;
}
public void run() {
System.out.println(myname + " BEGIN");
while (true) {
gate.pass(myname, myaddress);
}
}
}
public class Main {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("Testing Gate, hit CTRL+C to exit.");
Gate gate = new Gate();
new UserThread(gate, "Alice", "Alaska").start();
new UserThread(gate, "Bobby", "Brazil").start();
new UserThread(gate, "Chris", "Canada").start();
}
}
这里用到了一个小小的技巧:我们将姓名与出生地的“头一个”字母设计为相同(A、B或者C),因此可以通过校验两者来观察线程间是否有“互窜”的现象。
在PC机上运行一会儿,一定会打印出“***Broken***”字样,说明上述程序存在线程安全问题(确切来说,是Gate.java是非线程安全的类)。
上述现象之所以会发生,关键问题还是出在Gate类pass方法中,详细看一下代码:
public void pass(String name, String address) {
this.counter++;
this.name = name;
this.address = address;
check();
}
为简单说明,现假设只有两个线程(Alice与Bobby),它们每次调用pass的顺序可能是完全随机的,因此会存在某一刻,pass中的四条语句可能是交错执行的;假设它们的执行顺序如下:
线程Alice | 线程Bobby | this.name的值 | this.address的值 |
this.counter++; | this.counter++; | (之前的值) | (之前的值) |
| this.name = name; | "Bobby" | (之前的值) |
this.name = name; | | "Alice" | (之前的值) |
this.address = address; | | "Alice" | "Alaska" |
| this.address = address; | "Alice" | "Brazil" |
check(); | check(); | "Alice" | "Brazil" |
线程Alice | 线程Bobby | this.name的值 | this.address的值 |
this.counter++; | this.counter++; | (之前的值) | (之前的值) |
this.name = name; | | "Alice" | (之前的值) |
| this.name = name; | "Bobby" | (之前的值) |
| this.address = address; | "Bobby" | "Brazil" |
this.address = address; | | "Bobby" | "Alaska" |
check(); | check(); | "Bobby" | "Alaska" |
无论发生上述哪一种,都会使name与address出现非预期的结果。以上是没有使用Single Threaded Execution Pattern的情况。如需做线程安全的改造,可将Gate改造为如下:
public class Gate {
private int counter = 0;
private String name = "Nobody";
private String address = "Nowhere";
public synchronized void pass(String name, String address) {
this.counter++;
this.name = name;
this.address = address;
check();
}
public synchronized String toString() {
return "No." + counter + ": " + name + ", " + address;
}
private void check() {
if (name.charAt(0) != address.charAt(0)) {
System.out.println("***** BROKEN ***** " + toString());
}
}
}
在我的机器上,无论多久都没有显示BROKEN消息。这个执行结果虽然不能证明Gate类的安全性,但我们可以说该程序安全的可能性很大。
上述情况之所以会显示BROKEN,是因为pass方法内的程序可能会被多个线程穿插执行。synchronized方法,能够保证同时只有一个线程可以执行它。线程Alice执行pass方法的时候,线程Bobby就不能调用pass方法。在线程Alice执行完pass方法之前,线程Bobby会在pass方法的入口处被阻挡下。当线程Alice执行完pass方法之后,将锁定解除线程Bobby才可以开始执行pass方法。所有,只要将pass方法声明称synchronized的,就绝对不会出现上面表中的情况;而一定是下图的两种情况之一:
线程Alice | 线程Bobby | this.name的值 | this.address的值 |
【获取锁定】 | | | |
this.counter++ | | (之前的值) | (之前的值) |
this.name = name | | "Alice" | (之前的值) |
this.address = address | | "Alice" | "Alaska" |
check(); | | "Alice" | "Alaska" |
【解除锁定】 | | | |
| 【获取锁定】 | | |
| this.counter++ | "Alice" | "Alaska" |
| this.name = name | "Bobby" | "Alaska" |
| this.address = address | "Bobby" | "Brazil" |
| check(); | "Bobby" | "Brazil" |
| 【解除锁定】 | | |
线程Alice | 线程Bobby | this.name的值 | this.address的值 |
| 【获取锁定】 | | |
| this.counter++ | (之前的值) | (之前的值) |
| this.name = name | "Bobby" | (之前的值) |
| this.address = address | "Bobby" | "Brazil" |
| check(); | "Bobby" | "Brazil" |
| 【解除锁定】 | | |
【获取锁定】 | | | |
this.counter++ | | "Bobby" | "Brazil" |
this.name = name | | "Alice" | "Brazil" |
this.address = address | | "Alice" | "Alaska" |
check(); | | "Alice" | "Alaska" |
【解除锁定】 | | | |
这里再说明一下,toString方法需要加上synchronized的理由,以及check方法不加上synchronized的理由:
- 假设线程A正在调用pass方法,而线程B此时正在调用toString,由于线程B在引用name之后再引用address,此间隙线程A可能会改掉address的值,因此可能会输出不一致的name与address;即此时,pass是线程安全的,但toString却不是线程安全的。
- 由于check方法是private的,这意味着它不会被客户端直接调用,而唯一调用check方法的pass已被设成synchronized了,因此,不需要再将check设置成synchronized方法。虽然将check方法设置成synchronized不会产生问题,但锁定会带来一定的开销,因此完全没有必要。
总的来说,一个多线程下的程序,往往有会一块“限制多个线程访问”的程序块,这部分可称为临界区。临界区的存在一定会使程序的执行性能下降,主要是因为:
- 获取锁定需要花时间
- 线程冲突时必须进行等待。当一个线程执行临界区内的操作时,其他要进入临界区的线程会被阻挡。
学习&理解该模式的一个很好的方法,就是每当看见synchronized方法时,都去思考一下“该synchronized是在保护什么东西”?在上面的例子中,这个方法实质上是在保护counter、name以及address字段不会被多个线程同时访问。
如果我们为Gate类添加synchronized的setter方法,它还是线程安全的吗?
public synchronized void setName(String name)
{
this.name = name;
}
public synchronized void setAddress(String address)
{
this.address = address;
}
尽管这些方法都被设置成synchronized了,但是Gate类还是不安全的。因为name与address非得合在一起赋值才行。之所以将pass方法设置成synchronized,主要就是为了不要让多个线程穿插赋值。如果开放出setName、setAddress等方法,线程对字段的赋值操作就被分散了。因此,要保护,就要合在一起保护,否则是没有意义的。
另外,调用synchronized方法的线程,一定会获取this的锁定。一个实例的锁定,某个时刻内只能被一个线程所享用。换句话说,如果实例不同,即使用synchronized方法保护,多个线程还是能各自执行。
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