深入解析Java的線程同步以及線程間通信
Java線程同步
當(dāng)兩個或兩個以上的線程需要共享資源，它們需要某種方法來確定資源在某一刻僅被一個線程占用。達(dá)到此目的的過程叫做同步（synchronization）。像你所看到的，Java為此提供了獨特的，語言水平上的支持。
同步的關(guān)鍵是管程（也叫信號量semaphore）的概念。管程是一個互斥獨占鎖定的對象，或稱互斥體（mutex）。在給定的時間，僅有一個線程可以獲得管程。當(dāng)一個線程需要鎖定，它必須進入管程。所有其他的試圖進入已經(jīng)鎖定的管程的線程必須掛起直到第一個線程退出管程。這些其他的線程被稱為等待管程。一個擁有管程的線程如果愿意的話可以再次進入相同的管程。
如果你用其他語言例如C或C++時用到過同步，你會知道它用起來有一點詭異。這是因為很多語言它們自己不支持同步。相反，對同步線程，程序必須利用操作系統(tǒng)源語。幸運的是Java通過語言元素實現(xiàn)同步，大多數(shù)的與同步相關(guān)的復(fù)雜性都被消除。
你可以用兩種方法同步化代碼。兩者都包括synchronized關(guān)鍵字的運用，下面分別說明這兩種方法。
使用同步方法
Java中同步是簡單的，因為所有對象都有它們與之對應(yīng)的隱式管程。進入某一對象的管程，就是調(diào)用被synchronized關(guān)鍵字修飾的方法。當(dāng)一個線程在一個同步方法內(nèi)部，所有試圖調(diào)用該方法（或其他同步方法）的同實例的其他線程必須等待。為了退出管程，并放棄對對象的控制權(quán)給其他等待的線程，擁有管程的線程僅需從同步方法中返回。
為理解同步的必要性，讓我們從一個應(yīng)該使用同步卻沒有用的簡單例子開始。下面的程序有三個簡單類。首先是Callme，它有一個簡單的方法call( )。call( )方法有一個名為msg的String參數(shù)。該方法試圖在方括號內(nèi)打印msg 字符串。有趣的事是在調(diào)用call( ) 打印左括號和msg字符串后，調(diào)用Thread.sleep(1000)，該方法使當(dāng)前線程暫停1秒。
下一個類的構(gòu)造函數(shù)Caller，引用了Callme的一個實例以及一個String，它們被分別存在target 和 msg 中。構(gòu)造函數(shù)也創(chuàng)建了一個調(diào)用該對象的run( )方法的新線程。該線程立即啟動。Caller類的run( )方法通過參數(shù)msg字符串調(diào)用Callme實例target的call( ) 方法。最后，Synch類由創(chuàng)建Callme的一個簡單實例和Caller的三個具有不同消息字符串的實例開始。
Callme的同一實例傳給每個Caller實例。
// This program is not synchronized.
class Callme {
void call(String msg) {
System.out.print("[" + msg);
try {
Thread.sleep(1000);
} catch(InterruptedException e) {
System.out.println("Interrupted");
}
System.out.println("]");
}
}
class Caller implements Runnable {
String msg;
Callme target;
Thread t;
public Caller(Callme targ, String s) {
target = targ;
msg = s;
t = new Thread(this);
t.start();
}
public void run() {
target.call(msg);
}
}
class Synch {
public static void main(String args[]) {
Callme target = new Callme();
Caller ob1 = new Caller(target, "Hello");
Caller ob2 = new Caller(target, "Synchronized");
Caller ob3 = new Caller(target, "World");
// wait for threads to end
try {
ob1.t.join();
ob2.t.join();
ob3.t.join();
} catch(InterruptedException e) {
System.out.println("Interrupted");
}
}
}
該程序的輸出如下：
Hello[Synchronized[World] ] ]
在本例中，通過調(diào)用sleep( )，call( )方法允許執(zhí)行轉(zhuǎn)換到另一個線程。該結(jié)果是三個消息字符串的混合輸出。該程序中，沒有阻止三個線程同時調(diào)用同一對象的同一方法的方法存在。這是一種競爭，因為三個線程爭著完成方法。例題用sleep( )使該影響重復(fù)和明顯。在大多數(shù)情況，競爭是更為復(fù)雜和不可預(yù)知的，因為你不能確定何時上下文轉(zhuǎn)換會發(fā)生。這使程序時而運行正常時而出錯。
為達(dá)到上例所想達(dá)到的目的，必須有權(quán)連續(xù)的使用call( )。也就是說，在某一時刻，必須限制只有一個線程可以支配它。為此，你只需在call( ) 定義前加上關(guān)鍵字synchronized，如下：
class Callme {
synchronized void call(String msg) {
...
這防止了在一個線程使用call( )時其他線程進入call( )。在synchronized加到call( )前面以后，程序輸出如下：
[Hello] [Synchronized] [World]
任何時候在多線程情況下，你有一個方法或多個方法操縱對象的內(nèi)部狀態(tài)，都必須用synchronized 關(guān)鍵字來防止?fàn)顟B(tài)出現(xiàn)競爭。記住，一旦線程進入實例的同步方法，沒有其他線程可以進入相同實例的同步方法。然而，該實例的其他不同步方法卻仍然可以被調(diào)用。
同步語句
盡管在創(chuàng)建的類的內(nèi)部創(chuàng)建同步方法是獲得同步的簡單和有效的方法，但它并非在任何時候都有效。這其中的原因，請跟著思考。假設(shè)你想獲得不為多線程訪問設(shè)計的類對象的同步訪問，也就是，該類沒有用到synchronized方法。而且，該類不是你自己，而是第三方創(chuàng)建的，你不能獲得它的源代碼。這樣，你不能在相關(guān)方法前加synchronized修飾符。怎樣才能使該類的一個對象同步化呢？很幸運，解決方法很簡單：你只需將對這個類定義的方法的調(diào)用放入一個synchronized塊內(nèi)就可以了。
下面是synchronized語句的普通形式：
synchronized(object) {
// statements to be synchronized
}
其中，object是被同步對象的引用。如果你想要同步的只是一個語句，那么不需要花括號。一個同步塊確保對object成員方法的調(diào)用僅在當(dāng)前線程成功進入object管程后發(fā)生。
下面是前面程序的修改版本，在run( )方法內(nèi)用了同步塊：
// This program uses a synchronized block.
class Callme {
void call(String msg) {
System.out.print("[" + msg);
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
System.out.println("Interrupted");
}
System.out.println("]");
}
}
class Caller implements Runnable {
String msg;
Callme target;
Thread t;
public Caller(Callme targ, String s) {
target = targ;
msg = s;
t = new Thread(this);
t.start();
}
// synchronize calls to call()
public void run() {
synchronized(target) { // synchronized block
target.call(msg);
}
}
}
class Synch1 {
public static void main(String args[]) {
Callme target = new Callme();
Caller ob1 = new Caller(target, "Hello");
Caller ob2 = new Caller(target, "Synchronized");
Caller ob3 = new Caller(target, "World");
// wait for threads to end
try {
ob1.t.join();
ob2.t.join();
ob3.t.join();
} catch(InterruptedException e) {
System.out.println("Interrupted");
}
}
}
這里，call( )方法沒有被synchronized修飾。而synchronized是在Caller類的run( )方法中聲明的。這可以得到上例中同樣正確的結(jié)果，因為每個線程運行前都等待先前的一個線程結(jié)束。
Java線程間通信
多線程通過把任務(wù)分成離散的和合乎邏輯的單元代替了事件循環(huán)程序。線程還有第二優(yōu)點：它遠(yuǎn)離了輪詢。輪詢通常由重復(fù)監(jiān)測條件的循環(huán)實現(xiàn)。一旦條件成立，就要采取適當(dāng)?shù)男袆?。這浪費了CPU時間。舉例來說，考慮經(jīng)典的序列問題，當(dāng)一個線程正在產(chǎn)生數(shù)據(jù)而另一個程序正在消費它。為使問題變得更有趣，假設(shè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生器必須等待消費者完成工作才能產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)。在輪詢系統(tǒng)，消費者在等待生產(chǎn)者產(chǎn)生數(shù)據(jù)時會浪費很多CPU周期。一旦生產(chǎn)者完成工作，它將啟動輪詢，浪費更多的CPU時間等待消費者的工作結(jié)束，如此下去。很明顯，這種情形不受歡迎。
為避免輪詢，Java包含了通過wait( )，notify( )和notifyAll( )方法實現(xiàn)的一個進程間通信機制。這些方法在對象中是用final方法實現(xiàn)的，所以所有的類都含有它們。這三個方法僅在synchronized方法中才能被調(diào)用。盡管這些方法從計算機科學(xué)遠(yuǎn)景方向上來說具有概念的高度先進性，實際中用起來是很簡單的：
wait( ) 告知被調(diào)用的線程放棄管程進入睡眠直到其他線程進入相同管程并且調(diào)用notify( )。
notify( ) 恢復(fù)相同對象中第一個調(diào)用 wait( ) 的線程。
notifyAll( ) 恢復(fù)相同對象中所有調(diào)用 wait( ) 的線程。具有最高優(yōu)先級的線程最先運行。
這些方法在Object中被聲明，如下所示：
final void wait( ) throws InterruptedException final void notify( ) final void notifyAll( )
wait( )存在的另外的形式允許你定義等待時間。
下面的例子程序錯誤的實行了一個簡單生產(chǎn)者/消費者的問題。它由四個類組成：Q，設(shè)法獲得同步的序列；Producer，產(chǎn)生排隊的線程對象；Consumer，消費序列的線程對象；以及PC，創(chuàng)建單個Q，Producer，和Consumer的小類。
// An incorrect implementation of a producer and consumer.
class Q {
int n;
synchronized int get() {
System.out.println("Got: " + n);
return n;
}
synchronized void put(int n) {
this.n = n;
System.out.println("Put: " + n);
}
}
class Producer implements Runnable {
Q q;
Producer(Q q) {
this.q = q;
new Thread(this, "Producer").start();
}
public void run() {
int i = 0;
while(true) {
q.put(i++);
}
}
}
class Consumer implements Runnable {
Q q;
Consumer(Q q) {
this.q = q;
new Thread(this, "Consumer").start();
}
public void run() {
while(true) {
q.get();
}
}
}
class PC {
public static void main(String args[]) {
Q q = new Q();
new Producer(q);
new Consumer(q);
System.out.println("Press Control-C to stop.");
}
}
盡管Q類中的put( )和get( )方法是同步的，沒有東西阻止生產(chǎn)者超越消費者，也沒有東西阻止消費者消費同樣的序列兩次。這樣，你就得到下面的錯誤輸出（輸出將隨處理器速度和裝載的任務(wù)而改變）：
Put: 1 Got: 1 Got: 1 Got: 1 Got: 1 Got: 1 Put: 2 Put: 3 Put: 4 Put: 5 Put: 6 Put: 7 Got: 7
生產(chǎn)者生成1后，消費者依次獲得同樣的1五次。生產(chǎn)者在繼續(xù)生成2到7，消費者沒有機會獲得它們。
用Java正確的編寫該程序是用wait( )和notify( )來對兩個方向進行標(biāo)志，如下所示：
// A correct implementation of a producer and consumer.
class Q {
int n;
boolean valueSet = false;
synchronized int get() {
if(!valueSet)
try {
wait();
} catch(InterruptedException e) {
System.out.println("InterruptedException caught");
}
System.out.println("Got: " + n);
valueSet = false;
notify();
return n;
}
synchronized void put(int n) {
if(valueSet)
try {
wait();
} catch(InterruptedException e) {
System.out.println("InterruptedException caught");
}
this.n = n;
valueSet = true;
System.out.println("Put: " + n);
notify();
}
}
class Producer implements Runnable {
Q q;
Producer(Q q) {
this.q = q;
new Thread(this, "Producer").start();
}
public void run() {
int i = 0;
while(true) {
q.put(i++);
}
}
}
class Consumer implements Runnable {
Q q;
Consumer(Q q) {
this.q = q;
new Thread(this, "Consumer").start();
}
public void run() {
while(true) {
q.get();
}
}
}
class PCFixed {
public static void main(String args[]) {
Q q = new Q();
new Producer(q);
new Consumer(q);
System.out.println("Press Control-C to stop.");
}
}
內(nèi)部get( ), wait( )被調(diào)用。這使執(zhí)行掛起直到Producer 告知數(shù)據(jù)已經(jīng)預(yù)備好。這時，內(nèi)部get( ) 被恢復(fù)執(zhí)行。獲取數(shù)據(jù)后，get( )調(diào)用notify( )。這告訴Producer可以向序列中輸入更多數(shù)據(jù)。在put( )內(nèi)，wait( )掛起執(zhí)行直到Consumer取走了序列中的項目。當(dāng)執(zhí)行再繼續(xù)，下一個數(shù)據(jù)項目被放入序列，notify( )被調(diào)用，這通知Consumer它應(yīng)該移走該數(shù)據(jù)。
下面是該程序的輸出，它清楚的顯示了同步行為：
Put: 1 Got: 1 Put: 2 Got: 2 Put: 3 Got: 3 Put: 4 Got: 4 Put: 5 Got: 5
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