内容简介:所谓 Single Threades Execution 模式,意即“以一个线程执行”。就像独木桥同一时间内只允许一个人通行一样,该模式用于设置限制,以确保同一时间内只能让一个线程执行处理。使用程序模拟三个人频繁地通过一个只允许一个人经过的门情形。当人们通过门的时候,统计人数便会递增。另外程序还会记录通行者的“姓名和出生地”名字说明Main创建门,并让三个人不断地通过的类Gate表示门的类。它会在人们通过门时记录其姓名与出生地UserThread表示人的类。人们不断地通过门
Single Threades Execution 模式
所谓 Single Threades Execution 模式,意即“以一个线程执行”。就像独木桥同一时间内只允许一个人通行一样,该模式用于设置限制,以确保同一时间内只能让一个线程执行处理。
Demo
不使用 Single Threades Execution 模式的程序
使用程序模拟三个人频繁地通过一个只允许一个人经过的门情形。当人们通过门的时候,统计人数便会递增。另外程序还会记录通行者的“姓名和出生地”
类一览表
名字说明Main创建门,并让三个人不断地通过的类Gate表示门的类。它会在人们通过门时记录其姓名与出生地UserThread表示人的类。人们不断地通过门
// Main.java public class Main { public static void main(String[] args) { Gate gate = new Gate(); new UserThread(gate, "Bob", "Britain").start(); new UserThread(gate, "Cao", "China").start(); new UserThread(gate, "Uber", "USA").start(); } } 复制代码
// Gate.java 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(); } private void check() { if (this.name.charAt(0) != this.address.charAt(0)) { System.out.println("******** BROKEN ********** : " + toString()); } } @Override public String toString() { return "No. " + this.counter + " : " + this.name + " , " + this.address; } } 复制代码
// UserThread.java public class UserThread extends Thread { private final Gate gate; private final String name; private final String address; public UserThread(Gate gate, String name, String address) { this.gate = gate; this.name = name; this.address = address; } @Override public void run() { System.out.println(this.name + " BEGIN"); while (true) { gate.pass(this.name, this.address); } } } 复制代码
当这个程序执行时,时间点不同,生成的结果也会不一样,以下是打印出来的 log
Bob BEGIN Cao BEGIN ******** BROKEN ********** : No. 59622 : Bob , Britain Uber BEGIN ******** BROKEN ********** : No. 77170 : Uber , USA ******** BROKEN ********** : No. 89771 : Uber , USA ******** BROKEN ********** : No. 93128 : Cao , China ******** BROKEN ********** : No. 95654 : Uber , USA ******** BROKEN ********** : No. 98440 : Cao , China ******** BROKEN ********** : No. 102283 : Cao , China ******** BROKEN ********** : No. 104491 : Cao , China ******** BROKEN ********** : No. 106791 : Uber , USA ******** BROKEN ********** : No. 110022 : Uber , USA ******** BROKEN ********** : No. 112073 : Uber , USA ******** BROKEN ********** : No. 113973 : Uber , USA ******** BROKEN ********** : No. 77170 : Uber , USA ******** BROKEN ********** : No. 116050 : Bob , China ******** BROKEN ********** : No. 117334 : Bob , Britain ******** BROKEN ********** : No. 119992 : Bob , USA ******** BROKEN ********** : No. 124427 : Uber , USA ******** BROKEN ********** : No. 117152 : Bob , Britain ******** BROKEN ********** : No. 129298 : Bob , China ******** BROKEN ********** : No. 130552 : Cao , Britain ******** BROKEN ********** : No. 147176 : Cao , China ******** BROKEN ********** : No. 148546 : Uber , USA 复制代码
通过 log 可以知道运行结果与预期不一致,所以说 Gate 类是不安全的,是非线程安全类。
如果仔细看一下 counter 的值,最开始显示 BROKEN 的时候,counter 的值已经变为了 59622。也就是说,在检察处第一个错误的时候 Gate 的 pass 方法已经运行了 5 万多次了。在这里,因为 UserThread 类的 run 方法执行的是无限循环,所以才检查除了错误。但是如果只测试几次,是根本找不出错误的。
这就是多线程程序设计的难点之一。如果检察出错误,那么说明程序并不安全。但是就算没有检察出错误,也不能说程序就一定是安全的。
调试信息也不可靠
仔细看 log 会发现还有一个奇怪的现象,比如:
******** BROKEN ********** : No. 59622 : Bob , Britain 复制代码
虽然此处输出了 BROKEN 信息,但是姓名和出生地首字母是一样的。尽管显示了 BROKEN,但是调试信息好像并没有错。
导致这种现象的原因是,在某个线程执行 check 方法时,其他线程不断执行 pass 方法,改谢了 name 字段和 address 字段的值。
这也是多线程程序设计的难点之一。如果显示调试信息的代码本身就是非线程安全的,那么显示的调试信息就很可能是错误的。
如果连操作测试和调试信息都无法确保安全性,那就进行代码评审吧。多个人一起仔细阅读代码,确认是否会发生问题,这是确保程序安全性的一个有效方法。
修改 Gate 类使其线程安全
// Gate.java public class Gate { ... public synchronized void pass(String name, String address) { this.counter++; this.name = name; this.address = address; check(); } ... } 复制代码
之后程序就可以正常的运行,也不在打印 BROKEN 的 log 信息了
Single Threaded Execution 模式归纳
SharedResource 共享资源
在刚才的示例中,Gate 类扮演 SharedResource 的角色
SharedResource 角色是可被多个线程访问的类,包含很多方法,但这些方法主要分为如下两类:
- safeMethod: 多个线程同时调用也不会发生问题的方法
- unsafeMethod:多个线程同时调用会发生问题,因此必须加以保护的方法
而 unsafeMethod 在被多个线程同时执行时,实例状态有可能发生分歧。这时就需要保护该方法,使其不被多个线程同时访问。 Java 则是通过将 unsafeMethod 声明为 synchronized 方法来进行保护
死锁
在该模式下,满足下列条件时,死锁就会发生
- 存在多个 SharedResource 角色
- 线程在持有着某个 SharedResource 角色锁的同时,还想获取其他 SharedResource 角色的锁
- 获取 SharedResource 角色的锁的顺序并不固定
原子操作
不可分割的操作通常称为原子操作。
上述示例中 Gate类是线程安全的 我们将 pass 声明为了 synchronized 方法,这样 pass 方法也就成为了原子操作
Java 编程规范中定义了一些原子操作。例如 char、int 等基本类型的赋值和引用操作都是原子的。另外,对象等引用类型的赋值和引用操作也是原子的。由于本身就是原子的,所以就算不加上 synchronized,这些操作也不会被分割。 但是 long、double 的赋值和引用操作并不是原子的
总结如下:
- 基本类型、引用类型的赋值和引用是原子操作
- 但 long 和 double 的赋值和引用是非原子操作
- long 或 double 在线程间共享时,需要将其放入 synchronized 中操作,或者声明为 volatile
计数信号量和 Semaphore 类
上面介绍 Single Threaded Execution 模式用于确保某个区域“只能由一个线程”执行。下面我们将这种模式进一步扩展,以确保某个区域“最多只能由 N 个线程”执行。这时就要用计数信号量来控制线程数量。
java.util.concurrent 包提供了表示计数信号量的 Semaphore 类
资源的许可个数将通过 Semaphore 的构造函数来指定
Semaphore 的 acquire 方法用于确保存在可用资源。当存在可用资源时,线程会立即从 acquire 方法返回,同时信号量内部的资源个数会减 1 。 如无可用资源,线程阻塞在 acquire 方法内,直至出现可用资源。
Semaphore 的 release 方法用于释放资源。释放资源后,信号量内部的资源个数会增加 1。另外如果 acquire 中存在等待的线程,那么其中一个线程会被唤醒,并从 acquire 方法返回。
示例
// BoundedResource.java public class BoundedResource { private final int permits; private final Semaphore semaphore; private final Random random = new Random(314159); public BoundedResource(int permits) { this.semaphore = new Semaphore(permits); this.permits = permits; } public void use() throws InterruptedException { try { this.semaphore.acquire(); doUse(); } finally { this.semaphore.release(); } } private void doUse() throws InterruptedException { System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : BEGIN used = " + (this.permits - this.semaphore.availablePermits())); Thread.sleep(this.random.nextInt(500)); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : END used = " + (this.permits - this.semaphore.availablePermits())); } } 复制代码
// SemaphoreThread.java public class SemaphoreThread extends Thread{ private final Random random = new Random(26535); private final BoundedResource resource; public SemaphoreThread(BoundedResource resource) { this.resource = resource; } @Override public void run() { try { while (true) { this.resource.use(); Thread.sleep(this.random.nextInt(2000)); } } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } 复制代码
// Main.java public class Main { public static void main(String[] args) { BoundedResource boundedResource = new BoundedResource(3); new SemaphoreThread(boundedResource).start(); new SemaphoreThread(boundedResource).start(); new SemaphoreThread(boundedResource).start(); } } 复制代码
打印结果:
Thread-0 : BEGIN used = 2 Thread-2 : BEGIN used = 3 Thread-1 : BEGIN used = 2 Thread-2 : END used = 3 Thread-1 : END used = 2 Thread-0 : END used = 1 Thread-2 : BEGIN used = 1 Thread-2 : END used = 1 Thread-1 : BEGIN used = 1 Thread-0 : BEGIN used = 2 Thread-1 : END used = 2 Thread-0 : END used = 1 Thread-2 : BEGIN used = 1 Thread-2 : END used = 1 Thread-1 : BEGIN used = 1 Thread-0 : BEGIN used = 2 Thread-2 : BEGIN used = 3 Thread-0 : END used = 3
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