14.2 共享有限的资源
14.2 共享有限的资源
可将单线程程序想象成一种孤立的实体，它能遍历我们的问题空间，而且一次只能做一件事情。由于只有一个实体，所以永远不必担心会有两个实体同时试图使用相同的资源，就象两个人同时都想停到一个车位，同时都想通过一扇门，甚至同时发话。
进入多线程环境后，它们则再也不是孤立的。可能会有两个甚至更多的线程试图同时同一个有限的资源。必须对这种潜在资源冲突进行预防，否则就可能发生两个线程同时访问一个银行帐号，打印到同一台计算机，以及对同一个值进行调整等等。
14.2.1 资源访问的错误方法
现在考虑换成另一种方式来使用本章频繁见到的计数器。在下面的例子中，每个线程都包含了两个计数器，它们在 run()里增值以及显示。除此以外，我们使用了 Watcher 类的另一个线程。它的作用是监视计数器，检查它们是否保持相等。这表面是一项无意义的行动，因为如果查看代码，就会发现计数器肯定是相同的。但实际情况却不一定如此。下面是程序的第一个版本：
//: Sharing1.java
// Problems with resource sharing while threading
import java.awt.*;
import java.awt.event.*;
import java.applet.*;
class TwoCounter extends Thread {
private boolean started = false;
private TextField
t1 = new TextField(5),
t2 = new TextField(5);
private Label l =
new Label("count1 == count2");
private int count1 = 0, count2 = 0;
// Add the display components as a panel
// to the given container:
public TwoCounter(Container c) {
Panel p = new Panel();
p.add(t1);
p.add(t2);
p.add(l);
c.add(p);
}
public void start() {
if(!started) {
started = true;
super.start();
}
}
public void run() {
while (true) {
t1.setText(Integer.toString(count1++));
t2.setText(Integer.toString(count2++));
try {
sleep(500);
} catch (InterruptedException e){}
}
}
public void synchTest() {
Sharing1.incrementAccess();
if(count1 != count2)
l.setText("Unsynched");
}
}
class Watcher extends Thread {
private Sharing1 p;
public Watcher(Sharing1 p) {
this.p = p;
start();
}
public void run() {
while(true) {
for(int i = 0; i < p.s.length; i++)
p.s[i].synchTest();
try {
sleep(500);
} catch (InterruptedException e){}
}
}
}
public class Sharing1 extends Applet {
TwoCounter[] s;
private static int accessCount = 0;
private static TextField aCount =
new TextField("0", 10);
public static void incrementAccess() {
accessCount++;
aCount.setText(Integer.toString(accessCount));
}
private Button
start = new Button("Start"),
observer = new Button("Observe");
private boolean isApplet = true;
private int numCounters = 0;
private int numObservers = 0;
public void init() {
if(isApplet) {
numCounters =
Integer.parseInt(getParameter("size"));
numObservers =
Integer.parseInt(
getParameter("observers"));
}
s = new TwoCounter[numCounters];
for(int i = 0; i < s.length; i++)
s[i] = new TwoCounter(this);
Panel p = new Panel();
start.addActionListener(new StartL());
p.add(start);
observer.addActionListener(new ObserverL());
p.add(observer);
p.add(new Label("Access Count"));
p.add(aCount);
add(p);
}
class StartL implements ActionListener {
public void actionPerformed(ActionEvent e) {
for(int i = 0; i < s.length; i++)
s[i].start();
}
}
class ObserverL implements ActionListener {
public void actionPerformed(ActionEvent e) {
for(int i = 0; i < numObservers; i++)
new Watcher(Sharing1.this);
}
}
public static void main(String[] args) {
Sharing1 applet = new Sharing1();
// This isn't an applet, so set the flag and
// produce the parameter values from args:
applet.isApplet = false;
applet.numCounters =
(args.length == 0 ? 5 :
Integer.parseInt(args[0]));
applet.numObservers =
(args.length < 2 ? 5 :
Integer.parseInt(args[1]));
Frame aFrame = new Frame("Sharing1");
aFrame.addWindowListener(
new WindowAdapter() {
public void windowClosing(WindowEvent e){
System.exit(0);
}
});
aFrame.add(applet, BorderLayout.CENTER);
aFrame.setSize(350, applet.numCounters *100);
applet.init();
applet.start();
aFrame.setVisible(true);
}
} ///:~
和往常一样，每个计数器都包含了自己的显示组件：两个文本字段以及一个标签。根据它们的初始值，可知道计数是相同的。这些组件在 TwoCounter 构造器加入 Container。由于这个线程是通过用户的一个“按下按钮”操作启动的，所以 start()可能被多次调用。但对一个线程来说，对 Thread.start()的多次调用是非法的（会产生异常）。在 started 标记和重载的 start()方法中，大家可看到针对这一情况采取的防范措施。
在 run()中，count1 和 count2 的增值与显示方式表面上似乎能保持它们完全一致。随后会调用 sleep()；若没有这个调用，程序便会出错，因为那会造成 CPU 难于交换任务。
synchTest()方法采取的似乎是没有意义的行动，它检查 count1 是否等于 count2；如果不等，就把标签设为“Unsynched”（不同步）。但是首先，它调用的是类 Sharing1 的一个静态成员，以便增值和显示一个访问计数器，指出这种检查已成功进行了多少次（这样做的理由会在本例的其他版本中变得非常明显）。
Watcher 类是一个线程，它的作用是为处于活动状态的所有 TwoCounter 对象都调用 synchTest()。其间，它会对 Sharing1 对象中容纳的数组进行遍历。可将 Watcher 想象成它掠过 TwoCounter 对象的肩膀不断地“偷看”。
Sharing1 包含了 TwoCounter 对象的一个数组，它通过 init()进行初始化，并在我们按下“start”按钮后作为线程启动。以后若按下“Observe”（观察）按钮，就会创建一个或者多个观察器，并对毫不设防的 TwoCounter 进行调查。
注意为了让它作为一个程序片在浏览器中运行，Web 页需要包含下面这几行：
<applet code=Sharing1 width=650 height=500>
<param name=size value="20">
<param name=observers value="1">
</applet>
可自行改变宽度、高度以及参数，根据自己的意愿进行试验。若改变了 size 和 observers，程序的行为也会发生变化。我们也注意到，通过从命令行接受参数（或者使用默认值），它被设计成作为一个独立的应用程序运行。
下面才是最让人“不可思议”的。在 TwoCounter.run()中，无限循环只是不断地重复相邻的行：
t1.setText(Integer.toString(count1++));
t2.setText(Integer.toString(count2++));
（和“睡眠”一样，不过在这里并不重要）。但在程序运行的时候，你会发现 count1 和 count2 被“观察”（用 Watcher 观察）的次数是不相等的！这是由线程的本质造成的——它们可在任何时候挂起（暂停）。所以在上述两行的执行时刻之间，有时会出现执行暂停现象。同时，Watcher 线程也正好跟随着进来，并正好在这个时候进行比较，造成计数器出现不相等的情况。
本例揭示了使用线程时一个非常基本的问题。我们跟无从知道一个线程什么时候运行。想象自己坐在一张桌子前面，桌上放有一把叉子，准备叉起自己的最后一块食物。当叉子要碰到食物时，食物却突然消失了（因为这个线程已被挂起，同时另一个线程进来“偷”走了食物）。这便是我们要解决的问题。
有的时候，我们并不介意一个资源在尝试使用它的时候是否正被访问（食物在另一些盘子里）。但为了让多线程机制能够正常运转，需要采取一些措施来防止两个线程访问相同的资源——至少在关键的时期。
为防止出现这样的冲突，只需在线程使用一个资源时为其加锁即可。访问资源的第一个线程会其加上锁以后，其他线程便不能再使用那个资源，除非被解锁。如果车子的前座是有限的资源，高喊“这是我的！”的孩子会主张把它锁起来。
14.2.2 Java 如何共享资源
对一种特殊的资源——对象中的内存——Java 提供了内建的机制来防止它们的冲突。由于我们通常将数据元素设为从属于 private（私有）类，然后只通过方法访问那些内存，所以只需将一个特定的方法设为 synchronized（同步的），便可有效地防止冲突。在任何时刻，只可有一个线程调用特定对象的一个 synchronized 方法（尽管那个线程可以调用多个对象的同步方法）。下面列出简单的 synchronized 方法：
synchronized void f() { /* ... */ }
synchronized void g() { /* ... */ }
每个对象都包含了一把锁（也叫作“监视器”），它自动成为对象的一部分（不必为此写任何特殊的代码）。调用任何 synchronized 方法时，对象就会被锁定，不可再调用那个对象的其他任何 synchronized 方法，除非第一个方法完成了自己的工作，并解除锁定。在上面的例子中，如果为一个对象调用 f()，便不能再为同样的对象调用 g()，除非 f()完成并解除锁定。因此，一个特定对象的所有 synchronized 方法都共享着一把锁，而且这把锁能防止多个方法对通用内存同时进行写操作（比如同时有多个线程）。
每个类也有自己的一把锁（作为类的 Class 对象的一部分），所以 synchronized static 方法可在一个类的范围内被相互间锁定起来，防止与 static 数据的接触。
注意如果想保护其他某些资源不被多个线程同时访问，可以强制通过 synchronized 方访问那些资源。
- 计数器的同步
装备了这个新关键字后，我们能够采取的方案就更灵活了：可以只为 TwoCounter 中的方法简单地使用 synchronized 关键字。下面这个例子是对前例的改版，其中加入了新的关键字：
//: Sharing2.java
// Using the synchronized keyword to prevent
// multiple access to a particular resource.
import java.awt.*;
import java.awt.event.*;
import java.applet.*;
class TwoCounter2 extends Thread {
private boolean started = false;
private TextField
t1 = new TextField(5),
t2 = new TextField(5);
private Label l =
new Label("count1 == count2");
private int count1 = 0, count2 = 0;
public TwoCounter2(Container c) {
Panel p = new Panel();
p.add(t1);
p.add(t2);
p.add(l);
c.add(p);
}
public void start() {
if(!started) {
started = true;
super.start();
}
}
public synchronized void run() {
while (true) {
t1.setText(Integer.toString(count1++));
t2.setText(Integer.toString(count2++));
try {
sleep(500);
} catch (InterruptedException e){}
}
}
public synchronized void synchTest() {
Sharing2.incrementAccess();
if(count1 != count2)
l.setText("Unsynched");
}
}
class Watcher2 extends Thread {
private Sharing2 p;
public Watcher2(Sharing2 p) {
this.p = p;
start();
}
public void run() {
while(true) {
for(int i = 0; i < p.s.length; i++)
p.s[i].synchTest();
try {
sleep(500);
} catch (InterruptedException e){}
}
}
}
public class Sharing2 extends Applet {
TwoCounter2[] s;
private static int accessCount = 0;
private static TextField aCount =
new TextField("0", 10);
public static void incrementAccess() {
accessCount++;
aCount.setText(Integer.toString(accessCount));
}
private Button
start = new Button("Start"),
observer = new Button("Observe");
private boolean isApplet = true;
private int numCounters = 0;
private int numObservers = 0;
public void init() {
if(isApplet) {
numCounters =
Integer.parseInt(getParameter("size"));
numObservers =
Integer.parseInt(
getParameter("observers"));
}
s = new TwoCounter2[numCounters];
for(int i = 0; i < s.length; i++)
s[i] = new TwoCounter2(this);
Panel p = new Panel();
start.addActionListener(new StartL());
p.add(start);
observer.addActionListener(new ObserverL());
p.add(observer);
p.add(new Label("Access Count"));
p.add(aCount);
add(p);
}
class StartL implements ActionListener {
public void actionPerformed(ActionEvent e) {
for(int i = 0; i < s.length; i++)
s[i].start();
}
}
class ObserverL implements ActionListener {
public void actionPerformed(ActionEvent e) {
for(int i = 0; i < numObservers; i++)
new Watcher2(Sharing2.this);
}
}
public static void main(String[] args) {
Sharing2 applet = new Sharing2();
// This isn't an applet, so set the flag and
// produce the parameter values from args:
applet.isApplet = false;
applet.numCounters =
(args.length == 0 ? 5 :
Integer.parseInt(args[0]));
applet.numObservers =
(args.length < 2 ? 5 :
Integer.parseInt(args[1]));
Frame aFrame = new Frame("Sharing2");
aFrame.addWindowListener(
new WindowAdapter() {
public void windowClosing(WindowEvent e){
System.exit(0);
}
});
aFrame.add(applet, BorderLayout.CENTER);
aFrame.setSize(350, applet.numCounters *100);
applet.init();
applet.start();
aFrame.setVisible(true);
}
} ///:~
我们注意到无论 run()还是 synchTest()都是“同步的”。如果只同步其中的一个方法，那么另一个就可以自由忽视对象的锁定，并可无碍地调用。所以必须记住一个重要的规则：对于访问某个关键共享资源的所有方法，都必须把它们设为 synchronized，否则就不能正常地工作。
现在又遇到了一个新问题。Watcher2 永远都不能看到正在进行的事情，因为整个 run()方法已设为“同步”。而且由于肯定要为每个对象运行 run()，所以锁永远不能打开，而 synchTest()永远不会得到调用。之所以能看到这一结果，是因为 accessCount 根本没有变化。
为解决这个问题，我们能采取的一个办法是只将 run()中的一部分代码隔离出来。想用这个办法隔离出来的那部分代码叫作“关键区域”，而且要用不同的方式来使用 synchronized 关键字，以设置一个关键区域。Java 通过“同步块”提供对关键区域的支持；这一次，我们用 synchronized 关键字指出对象的锁用于对其中封闭的代码进行同步。如下所示： synchronized(syncObject) { // This code can be accessed by only // one thread at a time, assuming all // threads respect syncObject’s lock }
在能进入同步块之前，必须在 synchObject 上取得锁。如果已有其他线程取得了这把锁，块便不能进入，必须等候那把锁被释放。 可从整个 run()中删除 synchronized 关键字，换成用一个同步块包围两个关键行，从而完成对 Sharing2 例子的修改。但什么对象应作为锁来使用呢？那个对象已由 synchTest()标记出来了——也就是当前对象（this）！所以修改过的 run()方法象下面这个样子：
public void run() {
while (true) {
synchronized(this) {
t1.setText(Integer.toString(count1++));
t2.setText(Integer.toString(count2++));
}
try {
sleep(500);
} catch (InterruptedException e){}
}
}
这是必须对 Sharing2.java 作出的唯一修改，我们会看到尽管两个计数器永远不会脱离同步（取决于允许 Watcher 什么时候检查它们），但在 run()执行期间，仍然向 Watcher 提供了足够的访问权限。
当然，所有同步都取决于程序员是否勤奋：要访问共享资源的每一部分代码都必须封装到一个适当的同步块里。
- 同步的效率
由于要为同样的数据编写两个方法，所以无论如何都不会给人留下效率很高的印象。看来似乎更好的一种做法是将所有方法都设为自动同步，并完全消除 synchronized 关键字（当然，含有 synchronized run()的例子显示出这样做是很不通的）。但它也揭示出获取一把锁并非一种“廉价”方案——为一次方法调用付出的代价（进入和退出方法，不执行方法主体）至少要累加到四倍，而且根据我们的具体现方案，这一代价还有可能变得更高。所以假如已知一个方法不会造成冲突，最明智的做法便是撤消其中的 synchronized 关键字。
14.2.3 回顾 Java Beans
我们现在已理解了同步，接着可换从另一个角度来考察 Java Beans。无论什么时候创建了一个 Bean，就必须假定它要在一个多线程的环境中运行。这意味着：
(1) 只要可行，Bean 的所有公共方法都应同步。当然，这也带来了“同步”在运行期间的开销。若特别在意这个问题，在关键区域中不会造成问题的方法就可保留为“不同步”，但注意这通常都不是十分容易判断。有资格的方法倾向于规模很小（如下例的 getCircleSize()）以及／或者“微小”。也就是说，这个方法调用在如此少的代码片里执行，以至于在执行期间对象不能改变。如果将这种方法设为“不同步”，可能对程序的执行速度不会有明显的影响。可能也将一个 Bean 的所有 public 方法都设为 synchronized，并只有在保证特别必要、而且会造成一个差异的情况下，才将 synchronized 关键字删去。
(2) 如果将一个多造型事件送给一系列对那个事件感兴趣的“听众”，必须假在列表中移动的时候可以添加或者删除。
第一点很容易处理，但第二点需要考虑更多的东西。让我们以前一章提供的 BangBean.java 为例。在那个例子中，我们忽略了 synchronized 关键字（那时还没有引入呢），并将造型设为单造型，从而回避了多线程的问题。在下面这个修改过的版本中，我们使其能在多线程环境中工作，并为事件采用了多造型技术：
//: BangBean2.java
// You should write your Beans this way so they
// can run in a multithreaded environment.
import java.awt.*;
import java.awt.event.*;
import java.util.*;
import java.io.*;
public class BangBean2 extends Canvas
implements Serializable {
private int xm, ym;
private int cSize = 20; // Circle size
private String text = "Bang!";
private int fontSize = 48;
private Color tColor = Color.red;
private Vector actionListeners = new Vector();
public BangBean2() {
addMouseListener(new ML());
addMouseMotionListener(new MM());
}
public synchronized int getCircleSize() {
return cSize;
}
public synchronized void
setCircleSize(int newSize) {
cSize = newSize;
}
public synchronized String getBangText() {
return text;
}
public synchronized void
setBangText(String newText) {
text = newText;
}
public synchronized int getFontSize() {
return fontSize;
}
public synchronized void
setFontSize(int newSize) {
fontSize = newSize;
}
public synchronized Color getTextColor() {
return tColor;
}
public synchronized void
setTextColor(Color newColor) {
tColor = newColor;
}
public void paint(Graphics g) {
g.setColor(Color.black);
g.drawOval(xm - cSize/2, ym - cSize/2,
cSize, cSize);
}
// This is a multicast listener, which is
// more typically used than the unicast
// approach taken in BangBean.java:
public synchronized void addActionListener (
ActionListener l) {
actionListeners.addElement(l);
}
public synchronized void removeActionListener(
ActionListener l) {
actionListeners.removeElement(l);
}
// Notice this isn't synchronized:
public void notifyListeners() {
ActionEvent a =
new ActionEvent(BangBean2.this,
ActionEvent.ACTION_PERFORMED, null);
Vector lv = null;
// Make a copy of the vector in case someone
// adds a listener while we're
// calling listeners:
synchronized(this) {
lv = (Vector)actionListeners.clone();
}
// Call all the listener methods:
for(int i = 0; i < lv.size(); i++) {
ActionListener al =
(ActionListener)lv.elementAt(i);
al.actionPerformed(a);
}
}
class ML extends MouseAdapter {
public void mousePressed(MouseEvent e) {
Graphics g = getGraphics();
g.setColor(tColor);
g.setFont(
new Font(
"TimesRoman", Font.BOLD, fontSize));
int width =
g.getFontMetrics().stringWidth(text);
g.drawString(text,
(getSize().width - width) /2,
getSize().height/2);
g.dispose();
notifyListeners();
}
}
class MM extends MouseMotionAdapter {
public void mouseMoved(MouseEvent e) {
xm = e.getX();
ym = e.getY();
repaint();
}
}
// Testing the BangBean2:
public static void main(String[] args) {
BangBean2 bb = new BangBean2();
bb.addActionListener(new ActionListener() {
public void actionPerformed(ActionEvent e){
System.out.println("ActionEvent" + e);
}
});
bb.addActionListener(new ActionListener() {
public void actionPerformed(ActionEvent e){
System.out.println("BangBean2 action");
}
});
bb.addActionListener(new ActionListener() {
public void actionPerformed(ActionEvent e){
System.out.println("More action");
}
});
Frame aFrame = new Frame("BangBean2 Test");
aFrame.addWindowListener(new WindowAdapter(){
public void windowClosing(WindowEvent e) {
System.exit(0);
}
});
aFrame.add(bb, BorderLayout.CENTER);
aFrame.setSize(300,300);
aFrame.setVisible(true);
}
} ///:~
很容易就可以为方法添加 synchronized。但注意在 addActionListener()和 removeActionListener()中，现在添加了 ActionListener，并从一个 Vector 中移去，所以能够根据自己愿望使用任意多个。
我们注意到，notifyListeners()方法并未设为“同步”。可从多个线程中发出对这个方法的调用。另外，在对 notifyListeners()调用的中途，也可能发出对 addActionListener()和 removeActionListener()的调用。这显然会造成问题，因为它否定了 Vector actionListeners。为缓解这个问题，我们在一个 synchronized 从句中“克隆”了 Vector，并对克隆进行了否定。这样便可在不影响 notifyListeners()的前提下，对 Vector 进行操纵。
paint()方法也没有设为“同步”。与单纯地添加自己的方法相比，决定是否对重载的方法进行同步要困难得多。在这个例子中，无论 paint()是否“同步”，它似乎都能正常地工作。但必须考虑的问题包括：
(1) 方法会在对象内部修改“关键”变量的状态吗？为判断一个变量是否“关键”，必须知道它是否会被程序中的其他线程读取或设置（就目前的情况看，读取或设置几乎肯定是通过“同步”方法进行的，所以可以只对它们进行检查）。对 paint()的情况来说，不会发生任何修改。
(2) 方法要以这些“关键”变量的状态为基础吗？如果一个“同步”方法修改了一个变量，而我们的方法要用到这个变量，那么一般都愿意把自己的方法也设为“同步”。基于这一前提，大家可观察到 cSize 由“同步”方法进行了修改，所以 paint()应当是“同步”的。但在这里，我们可以问：“假如 cSize 在 paint()执行期间发生了变化，会发生的最糟糕的事情是什么呢？”如果发现情况不算太坏，而且仅仅是暂时的效果，那么最好保持 paint()的“不同步”状态，以避免同步方法调用带来的额外开销。
(3) 要留意的第三条线索是 paint()基础类版本是否“同步”，在这里它不是同步的。这并不是一个非常严格的参数，仅仅是一条“线索”。比如在目前的情况下，通过同步方法（好 cSize）改变的一个字段已合成到 paint()公式里，而且可能已改变了情况。但请注意，synchronized 不能继承——也就是说，假如一个方法在基础类中是“同步”的，那么在衍生类重载版本中，它不会自动进入“同步”状态。
TestBangBean2 中的测试代码已在前一章的基础上进行了修改，已在其中加入了额外的“听众”，从而演示了 BangBean2 的多造型能力。