JAVA并发设计模式学习笔记（一）—— JAVA多线程编程

这个专题主要讨论并发编程的问题，所有的讨论都是基于JAVA语言的（因其独特的内存模型以及原生对多线程的支持能力），不过本文传达的是一种分析的思路，任何有经验的朋友都能很轻松地将其扩展到任何一门语言。

注：本文的主要参考资料为结城浩所著《JAVA多线程设计模式》。

线程的英文名Thread，原意指“细丝”。在多线程程序中，若要追踪各个线程的轨迹，就会派生出一系列错综复杂的乱线团。假设在运行过程中，如果有人问到“请问现在执行到代码的哪一部分了？”，你需要多个手指头才能指出正确的地方。

当应用程序的规模、复杂程度达到一定程度时，并发设计是一个必将考虑到的问题，以下是一些常见的应用：

• GUI：以word为例，我们正在编辑一份大型的文档，此时执行“查找”操作；当word进行查找时，同时会出现一个“停止查找”的按钮，用户可以随时停止。此时就用到了多线程，其中一个线程在后台执行查找，另一个线程显示“停止查找”的按钮，一旦按下，则立即停止查找。两个操作交由不同的线程来处理，各线程可以专心负责自己的功能，因此也是模块化设计思想的一种体现。
• 比较耗时的I/O处理：由于磁盘、网络的IO操作消耗的时间远大于内存处理，如果在此段时间内，程序仅仅是等待而无法执行其它处理，性能会大打折扣。如果事先能将I/O处理和非I/O处理区分开来，这样就能够利用进行I/O处理时CPU空闲的间隙，进行其它处理了。
• 一个Server与多个Client：大部分Server都要求能够同时服务于1个以上的Client。Server本身并不知道何时会有Client接入，并且在Server中直接引入多个Client的设计，并不是十分优雅的方案；因此不妨设计成一旦有Client连接到Server，就会生成自动出来迎接这个Client的线程。这样一来，Server端的程序就可以简单地设计成好像只服务一个Client。当然，从J2SE 1.4开始，已经加入了新的NIO类库，不必利用线程也能进行兼具性能和扩充性的I/O处理，详情可参考JDK。

至于JAVA中线程的编码方式，无非是继承自抽象类Thread或者实现Runnable接口，想必各位读者都很熟悉了，这里就不复述了。

在多线程程序里，多个线程既然可以自由操作，当然就可能同时操作到同一实例。这个情况又是会造成不必要的麻烦。例如经典的银行取款问题，其“确认可用余款”这一部分的代码应该该为：

if(可用余额大于欲提取金额)
{
  从可用余额中减掉欲提取金额
}

这段逻辑本身并没有问题。先确认可用余额，再检查是否允许提取输入金额，如果系统决定可以领取，则从可用余额中减掉此金额，保证不会发生可用余额变为负数的情况。

但是，同时若有2个以上的线程执行这个程序的代码，可用余额可能会变成负数。比如：

初始化……
可用余额 = 1000元
欲提取金额 = 1000元
线程A——可用余额大于欲提取金额？
线程A——是
<<<此时切换成线程B>>>
线程B——可用余额大于欲提取金额？
线程B——是
线程B——从可用余额中减掉欲提取金额
线程B——可用余额变为0元
<<<此时切换成线程A>>>
线程A——从可用余额中减掉欲提取金额
线程A——可用余额变为-1000元

我们发现，由于时间差，可能会发生线程B夹在线程A的“确认可用余额”和“减去可用余额”之间的情况，这就会导致出现金额为负数的情况。

JAVA中使用synchronized来实现共享互斥，这就好比十字路口的红绿灯处理一样；当直向行车时绿灯时，另一边的横向车灯一定是红灯。synchronized也采用类似的“交通管制”的方式来实现线程间的互斥。

上述银行存取款的互斥实现如下

public class Bank
{
    private int money;
    private String name;

    public Bank(String name, int money)
    {
        this.money = money;
        this.name = name;
    }

    // 存款
    public synchronized void deposit(int m)
    {
        money += m;
    }

    // 取款
    public synchronized void withdraw(int m)
    {
        if (money >= m)
        {
            money -= m;
            return true;  // 已取款
        }
        else
        {
            return false; // 余额不足
        }
    }

    public String getName()
    {
        return name;
    }
}

当一个线程正在执行Bank实例的deposit或withdraw方法时，其他线程就不能执行同一实例的deposit以及withdraw方法。欲执行的线程必须排队等候。

也许会注意到，Bank类里还有一个非synchronized的方法——getName。无论其它线程是否正在执行同一实例的deposit、withdraw或者getName方法，都不妨碍它的执行。

synchronized阻挡的几种使用方式，如下
synchronized局部阻挡：如果需要“管制”的不是整个方法，而是方法的一部分，就使用此类阻挡，代码如下

synchronized(表达式)
{
    ……
}

synchronized实例方法阻挡：如果需要“管制”的是整个实例方法，而是方法的一部分，就使用此类阻挡，代码如下

synchronized void method()
{
    ……
}

这段代码在功能上与如下代码有异曲同工之妙

void method()
{
    synchronized(this)    
    {
        ……
    }
}

synchronized类方法阻挡：如果需要“管制”的是类方法，就使用此类阻挡，代码如下

class Something
{
    static synchronized void method()
    {
        ……
    }
}

这段代码在功能上与如下代码有异曲同工之妙

class Something
{
    static void method()
    {
        synchronized(Something.class)
        {
            ……
        }
    }
}

从上面可以看出，synchronized类阻挡其实质是用类对象作为锁定的对象去进行互斥的。

线面讲讲线程的协调。上面所说的是最简单的共享互斥，只要有线程再执行就乖乖地等候；现实工作中，我们需要的往往不止于此，比如：

• 若空间有空闲则继续写入，若没有则等候。
• 空间有空闲时，及时通知等待线程。

线程协调的具体实现将在下一章中介绍。

JAVA中提供了wait、notify、notifyAll以支持此类条件处理。这里要注意到以下几点：

• 如欲执行某一实例的wait方法，则首先必须获得该实例的锁；一旦进入wait set（线程的休息间），则自动释放该锁。
• 使用notify方法时，会从锁定实例的wait set中唤醒一个线程。同样的，线程必须首先获得锁定，才能调用notyfy方法。被唤醒的线程并不是立即就可以执行的，因为在此刻，notify的线程还一直占有锁。另外，假设执行notify时，wait set里有多于一个的线程在等待，具体选择那个线程是无法得知的，因此应用程序最好不要写成会因所选线程而有所变动的方式。
• notifyAll与notify基本相同，唯一区别在于它是唤醒所有线程而非一个。一般来说，使用notifyAll写的程序会更健壮一点。