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高级应用 java多线程设计模式详解之二

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通常,多线程之间需要协调工作。例如,浏览器的一个显示图片的线程displayThread想要执行显示图片的任务,必须等待下载线程downloadThread将该图片下载完毕

作者:中国IT实验室 来源:中国IT实验室 2007年8月28日

关键字: 多线程 java

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 wait()/notify()
  
  通常,多线程之间需要协调工作。例如,浏览器的一个显示图片的线程displayThread想要执行显示图片的任务,必须等待下载线程downloadThread将该图片下载完毕。如果图片还没有下载完,displayThread可以暂停,当downloadThread完成了任务后,再通知displayThread“图片准备完毕,可以显示了”,这时,displayThread继续执行。
  
  以上逻辑简单的说就是:如果条件不满足,则等待。当条件满足时,等待该条件的线程将被唤醒。在Java中,这个机制的实现依赖于wait/notify。等待机制与锁机制是密切关联的。例如:
  
  synchronized(obj) {
  while(!condition) {
  obj.wait();
  }
  obj.doSomething();
  }
  
  当线程A获得了obj锁后,发现条件condition不满足,无法继续下一处理,于是线程A就wait()。
  
  在另一线程B中,如果B更改了某些条件,使得线程A的condition条件满足了,就可以唤醒线程A:
  
  synchronized(obj) {
  condition = true;
  obj.notify();
  }
  
  需要注意的概念是:
  
  # 调用obj的wait(), notify()方法前,必须获得obj锁,也就是必须写在synchronized(obj) {...} 代码段内。
  
  # 调用obj.wait()后,线程A就释放了obj的锁,否则线程B无法获得obj锁,也就无法在synchronized(obj) {...} 代码段内唤醒A。
  
  # 当obj.wait()方法返回后,线程A需要再次获得obj锁,才能继续执行。
  
  # 如果A1,A2,A3都在obj.wait(),则B调用obj.notify()只能唤醒A1,A2,A3中的一个(具体哪一个由JVM决定)。
  
  # obj.notifyAll()则能全部唤醒A1,A2,A3,但是要继续执行obj.wait()的下一条语句,必须获得obj锁,因此,A1,A2,A3只有一个有机会获得锁继续执行,例如A1,其余的需要等待A1释放obj锁之后才能继续执行。
  
  # 当B调用obj.notify/notifyAll的时候,B正持有obj锁,因此,A1,A2,A3虽被唤醒,但是仍无法获得obj锁。直到B退出synchronized块,释放obj锁后,A1,A2,A3中的一个才有机会获得锁继续执行。
  
  wait()/sleep()的区别
  
  前面讲了wait/notify机制,Thread还有一个sleep()静态方法,它也能使线程暂停一段时间。sleep与wait的不同点是:sleep并不释放锁,并且sleep的暂停和wait暂停是不一样的。obj.wait会使线程进入obj对象的等待集合中并等待唤醒。
  
  但是wait()和sleep()都可以通过interrupt()方法打断线程的暂停状态,从而使线程立刻抛出InterruptedException。
  
  如果线程A希望立即结束线程B,则可以对线程B对应的Thread实例调用interrupt方法。如果此刻线程B正在wait/sleep/join,则线程B会立刻抛出InterruptedException,在catch() {} 中直接return即可安全地结束线程。
  
  需要注意的是,InterruptedException是线程自己从内部抛出的,并不是interrupt()方法抛出的。对某一线程调用interrupt()时,如果该线程正在执行普通的代码,那么该线程根本就不会抛出InterruptedException。但是,一旦该线程进入到wait()/sleep()/join()后,就会立刻抛出InterruptedException。
  
  GuardedSuspention
  
  GuardedSuspention模式主要思想是:
  
  当条件不满足时,线程等待,直到条件满足时,等待该条件的线程被唤醒。
  
  我们设计一个客户端线程和一个服务器线程,客户端线程不断发送请求给服务器线程,服务器线程不断处理请求。当请求队列为空时,服务器线程就必须等待,直到客户端发送了请求。
  
  先定义一个请求队列:Queue
  
  package com.crackj2ee.thread;
  
  import java.util.*;
  
  public class Queue {
  private List queue = new LinkedList();
  
  public synchronized Request getRequest() {
  while(queue.size()==0) {
  try {
  this.wait();
  }
  catch(InterruptedException ie) {
  return null;
  }
  }
  return (Request)queue.remove(0);
  }
  
  public synchronized void putRequest(Request request) {
  queue.add(request);
  this.notifyAll();
  }
  
  }
  
  蓝色部分就是服务器线程的等待条件,而客户端线程在放入了一个request后,就使服务器线程等待条件满足,于是唤醒服务器线程。
  
  客户端线程:ClientThread
  
  package com.crackj2ee.thread;
  
  public class ClientThread extends Thread {
  private Queue queue;
  private String clientName;
  
  public ClientThread(Queue queue, String clientName) {
  this.queue = queue;
  this.clientName = clientName;
  }
  
  public String toString() {
  return "[ClientThread-" + clientName + "]";
  }
  
  public void run() {
  for(int i=0; i<100; i++) {
  Request request = new Request("" + (long)(Math.random()*10000));
  System.out.println(this + " send request: " + request);
  queue.putRequest(request);
  try {
  Thread.sleep((long)(Math.random() * 10000 + 1000));
  }
  catch(InterruptedException ie) {
  }
  }
  System.out.println(this + " shutdown.");
  }
  }
  
  服务器线程:ServerThread
  
  package com.crackj2ee.thread;
  public class ServerThread extends Thread {
  private boolean stop = false;
  private Queue queue;
  
  public ServerThread(Queue queue) {
  this.queue = queue;
  }
  
  public void shutdown() {
  stop = true;
  this.interrupt();
  try {
  this.join();
  }
  catch(InterruptedException ie) {}
  }
  
  public void run() {
  while(!stop) {
  Request request = queue.getRequest();
  System.out.println("[ServerThread] handle request: " + request);
  try {
  Thread.sleep(2000);
  }
  catch(InterruptedException ie) {}
  }
  System.out.println("[ServerThread] shutdown.");
  }
  }
  
  服务器线程在红色部分可能会阻塞,也就是说,Queue.getRequest是一个阻塞方法。这和java标准库的许多IO方法类似。
  
  最后,写一个Main来启动他们:
  
  package com.crackj2ee.thread;
  
  public class Main {
  
  public static void main(String[] args) {
  Queue queue = new Queue();
  ServerThread server = new ServerThread(queue);
  server.start();
  ClientThread[] clients = new ClientThread[5];
  for(int i=0; i<clients.length; i++) {
  clients[i] = new ClientThread(queue, ""+i);
  clients[i].start();
  }
  try {
  Thread.sleep(100000);
  }
  catch(InterruptedException ie) {}
  server.shutdown();
  }
  }
  
  我们启动了5个客户端线程和一个服务器线程,运行结果如下:
  
  [ClientThread-0] send request: Request-4984
  [ServerThread] handle request: Request-4984
  [ClientThread-1] send request: Request-2020
  [ClientThread-2] send request: Request-8980
  [ClientThread-3] send request: Request-5044
  [ClientThread-4] send request: Request-548
  [ClientThread-4] send request: Request-6832
  [ServerThread] handle request: Request-2020
  [ServerThread] handle request: Request-8980
  [ServerThread] handle request: Request-5044
  [ServerThread] handle request: Request-548
  [ClientThread-4] send request: Request-1681
  [ClientThread-0] send request: Request-7859
  [ClientThread-3] send request: Request-3926
  [ServerThread] handle request: Request-6832
  [ClientThread-2] send request: Request-9906
  ......
  
  可以观察到ServerThread处理来自不同客户端的请求。
  
  思考
  
  Q: 服务器线程的wait条件while(queue.size()==0)能否换成if(queue.size()==0)?
  
  A: 在这个例子中可以,因为服务器线程只有一个。但是,如果服务器线程有多个(例如Web应用程序有多个线程处理并发请求,这非常普遍),就会造成严重问题。
  
  Q: 能否用sleep(1000)代替wait()?
  
  A: 绝对不可以。sleep()不会释放锁,因此sleep期间别的线程根本没有办法调用getRequest()和putRequest(),导致所有相关线程都被阻塞。
  
  Q: (Request)queue.remove(0)可以放到synchronized() {}块外面吗?
  
  A: 不可以。因为while()是测试queue,remove()是使用queue,两者是一个原子操作,不能放在synchronized外面。
  
  总结
  
  多线程设计看似简单,实际上必须非常仔细地考虑各种锁定/同步的条件,稍不小心

 

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