黃 慶

(武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065)

Java同步線程模型分析與改進(jìn)*

黃 慶

(武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065)

Java是為數(shù)不多的提供內(nèi)置多線程機(jī)制的編程語(yǔ)言。Java多線程程序雖然能夠提高計(jì)算機(jī)資源的使用效率及處理速度，但其同步多線程模型還存在一定的缺陷。特別是多線程應(yīng)用系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)，如果算法和策略不當(dāng)，反而會(huì)引起死鎖等問(wèn)題。文章分析Java同步多線程模型的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)Java多線程應(yīng)用系統(tǒng)的死鎖問(wèn)題提出改進(jìn)策略。

Java線程模型；同步；死鎖；改進(jìn)

很多編程語(yǔ)言，如C語(yǔ)言和C++語(yǔ)言都不提供內(nèi)置的多線程機(jī)制，要實(shí)現(xiàn)并發(fā)處理，需要調(diào)用操作系統(tǒng)的多線程原語(yǔ)操作。Java類庫(kù)中本身包含多線程原語(yǔ)操作，編寫應(yīng)用程序時(shí)可以直接使用內(nèi)置的多線程操作以實(shí)現(xiàn)并發(fā)處理。多線程程序能夠有效提高計(jì)算機(jī)資源的使用效率，提高處理速度。但Java多線程程序在并行處理的同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生死鎖等問(wèn)題，特別是對(duì)于具有“生產(chǎn)者/消費(fèi)者”之類的并發(fā)處理程序。Java防止產(chǎn)生死鎖的方法是采用線程同步操作。

1 Java同步線程模型的分析

1.1 Java引入同步線程的優(yōu)點(diǎn)

引入同步線程模型，系統(tǒng)并發(fā)執(zhí)行程度可以大大提高，編程中并發(fā)程序產(chǎn)生的問(wèn)題與局限性能得到有效的控制。這種線程概念的應(yīng)用，和多進(jìn)程模式相比較，Java同步線程模型有更多優(yōu)點(diǎn)。二者的區(qū)別在于，進(jìn)程的兩個(gè)單位分開(kāi)。線程中，每個(gè)執(zhí)行單元，既可以獨(dú)立調(diào)度，又可以各自分派。每個(gè)進(jìn)程只是一個(gè)獨(dú)立出來(lái)的控制流，而非可獨(dú)立擁有資源的基本單位。因此，操作時(shí)可以減少對(duì)獨(dú)立擁有資源的單位做頻率較高的切換，程序并發(fā)執(zhí)行程度的功能也因此得到較大的突破。

可擁有資源的獨(dú)立單位和可獨(dú)立調(diào)度及分派的基本單位，是進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行的必要條件，這兩種屬性在傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)也得到體現(xiàn)。進(jìn)程的這兩種屬性，為進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行起到關(guān)鍵作用。但是，為使程序并發(fā)得到有效執(zhí)行，創(chuàng)建、撤銷等操作必須在系統(tǒng)內(nèi)實(shí)施，因?yàn)樽鳛橘Y源的擁有者，不同進(jìn)程所擁有的內(nèi)存空間堆棧不同，所以系統(tǒng)在進(jìn)行這些操作過(guò)程中，一定要給其騰出更大的時(shí)空。基于此，系統(tǒng)中所設(shè)置的進(jìn)程數(shù)目不應(yīng)該過(guò)多，進(jìn)程在切換的次數(shù)也不宜太高，從這點(diǎn)看來(lái)，對(duì)并發(fā)進(jìn)程的進(jìn)一步發(fā)展是一種限制。而值得注意的是，Java同步線程模式，難點(diǎn)在于攻克并發(fā)程序設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的各種問(wèn)題，系統(tǒng)中內(nèi)置多個(gè)進(jìn)程或線程，并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程和線程又是各自獨(dú)立，必會(huì)導(dǎo)致相互間出現(xiàn)資源共享關(guān)系、相互協(xié)作關(guān)系。

Java作為多線程模式語(yǔ)言，具有同時(shí)實(shí)行多個(gè)線程和實(shí)施多個(gè)操作功能，并且多線程技術(shù)還可以增強(qiáng)圖形用戶界面之間的交互能力，當(dāng)前的主流操作系統(tǒng)如Windows等，都采用了這種線程的概念，即把線程視為基本執(zhí)行單位。在普通程序中，僅有一個(gè)執(zhí)行程序，許多情況沒(méi)法或者極難處理。例如，在GUI應(yīng)用程序中，一般都希望在進(jìn)行后臺(tái)計(jì)算的同時(shí)能響應(yīng)用戶輸入。因此，應(yīng)用程序在執(zhí)行時(shí)要實(shí)行中斷計(jì)算，檢測(cè)用戶輸入的狀況，這樣必然存在危險(xiǎn)，而Java的多線程操作可避免這種情況。

1.2 Java內(nèi)存模型對(duì)同步多線程的支持

作為平臺(tái)無(wú)關(guān)的編程語(yǔ)言，Java語(yǔ)言規(guī)范定義了一個(gè)統(tǒng)一的內(nèi)存管理模型(JMM)，[1]具體由Java虛擬機(jī)(JVM)來(lái)實(shí)現(xiàn)。JMM將線程能訪問(wèn)的內(nèi)存劃分為主內(nèi)存(main memory)和工作內(nèi)存(working memory)。所有的線程都能對(duì)主內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行并發(fā)訪問(wèn)。而每一個(gè)線程都有其私有的其他線程不能訪問(wèn)的工作內(nèi)存，其中存放的是該線程從主內(nèi)存中拷貝過(guò)來(lái)的變量以及訪問(wèn)方法所取得的局部變量。每個(gè)線程對(duì)變量的操作，都是先從主內(nèi)存將其拷貝到工作內(nèi)存，再對(duì)其進(jìn)行操作，各線程之間想要讀取或修改對(duì)方所訪問(wèn)的變量均需要通過(guò)主內(nèi)存。當(dāng)需要修改變量值時(shí)，先從主內(nèi)存復(fù)制到工作內(nèi)存，修改其值后將其拷貝回主內(nèi)存。

多線程并發(fā)執(zhí)行時(shí)，在資源上形成共享與合作關(guān)系。由于進(jìn)程線程之間相互協(xié)作，需要共同完成目標(biāo)操作。但是，如果線程和進(jìn)程的協(xié)作關(guān)系出現(xiàn)了矛盾，結(jié)果將不堪設(shè)想，會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)危險(xiǎn)。比如，對(duì)具有“生產(chǎn)者/消費(fèi)者”之類的并發(fā)處理程序，Java多線程程序在并行處理的同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生死鎖等問(wèn)題。所謂死鎖，即當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)線程彼此無(wú)限期等待，導(dǎo)致都不能繼續(xù)執(zhí)行的狀態(tài)。Java同步線程解決這一問(wèn)題的方法是使用synchronized關(guān)鍵字，對(duì)該對(duì)象完成鎖操作，并且在完成鎖操作前停止處理。鎖操作完成時(shí)，synchronized語(yǔ)句體得到執(zhí)行；當(dāng)語(yǔ)句體執(zhí)行完畢，無(wú)論正?；虍惓?，解鎖操作自動(dòng)完成。如程序add Number 和print方法均是synchronized方法，Java就會(huì)自動(dòng)地在一個(gè)線程執(zhí)行synchronized方法時(shí)，禁止其他線程執(zhí)行它。只有當(dāng)所有synchronized方法結(jié)束后，等待的線程才能執(zhí)行。

Java線程訪問(wèn)標(biāo)識(shí)為Synchronized的方法，并對(duì)相應(yīng)變量做操作時(shí)，JVM執(zhí)行過(guò)程的描述如圖1所示。

圖1 JVM的執(zhí)行過(guò)程

synchronized關(guān)鍵字可以保證它鎖住的代碼區(qū)訪問(wèn)的唯一性，即任何時(shí)刻只允許唯一的一個(gè)線程單獨(dú)訪問(wèn)同步區(qū)。[2]如果不使用synchronized關(guān)鍵字，則JVM就不能保證讀取數(shù)據(jù)和寫回?cái)?shù)據(jù)按上述次序執(zhí)行，從而可能引起程序數(shù)據(jù)混亂。

2 Java同步線程模型的缺陷

Java編程語(yǔ)言的線程模型是該語(yǔ)言的薄弱環(huán)節(jié)，同實(shí)際復(fù)雜程序的要求并不完全相適應(yīng)。Java語(yǔ)言本身對(duì)線程的語(yǔ)法和類包的支持比較少，只能適用某些小型應(yīng)用環(huán)境?；谶@些缺陷，發(fā)掘Java多線程更多的實(shí)現(xiàn)方法，處理由多線程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)死鎖，顯得尤為重要。

因?yàn)椴l(fā)線程會(huì)競(jìng)爭(zhēng)程序中的資源，共享資源就必須得到均衡分配，讓每線程在程序執(zhí)行訪問(wèn)過(guò)程中，能充分利用有限的資源。由于Java中并不對(duì)死鎖提供必要的檢測(cè)，系統(tǒng)自身也沒(méi)有死鎖線程的設(shè)置，因此對(duì)Java程序員來(lái)說(shuō)，算法上要防止產(chǎn)生死鎖。許多線程程序設(shè)計(jì)可以歸納出死鎖產(chǎn)生的條件。例如，兩個(gè)或兩個(gè)以上的synchronized方法互相依存，相互之間無(wú)限期等待，以至于所有線程均無(wú)法繼續(xù)，導(dǎo)致死鎖。如下例：

class Printer implements Runnable {

Input input ;

synchronized void print ( ) {

input . write ( ) ;

}

synchronized void sendData ( ) {

}

public void run ( ) {

print ( ) ;

}

}

class Input implements Runnable {

Printer printer;

synchronized void write ( ) {

printer. sendData ( ) ;

}

public void run ( ) {

write ( ) ;

}

}

class Deadlock {

public static void main ( string args [ ] ) {

Printer P= new Printer ( ) ;

Input I= new Input ( ) ;

P·input= I;

I·printer= P;

Thread t1= new Thread (P) ;

Thread t2= new Thread (I) ;

t1·start ( ) ;

t2·start ( ) ;

}

}

由編程看，每一個(gè)對(duì)象有一個(gè)與其相關(guān)的monitor對(duì)象。monitor的作用類似于看門人，每次僅允許一個(gè)synchronized方法進(jìn)入，當(dāng)該synchronized方法結(jié)束后，monitor解鎖，另一個(gè)synchronized方法開(kāi)始執(zhí)行。如果程序中有幾個(gè)競(jìng)爭(zhēng)資源的并發(fā)線程，那么保證均衡是很重要的，其中系統(tǒng)均衡是指每線程在執(zhí)行過(guò)程中都能充分訪問(wèn)有限的資源，而且系統(tǒng)中沒(méi)有死鎖的線程。

同步線程中，許多線程在執(zhí)行中必須考慮與其他線程之間共享數(shù)據(jù)或協(xié)調(diào)執(zhí)行狀態(tài)，而在Java中的每個(gè)對(duì)象都有一把鎖與之對(duì)應(yīng)，但Java不提供單獨(dú)的lock和unlock操作，它由高層的結(jié)構(gòu)隱式實(shí)現(xiàn)，來(lái)保證操作的對(duì)應(yīng)。

上述編程，運(yùn)行Printer對(duì)象和Input對(duì)象的線程執(zhí)行時(shí)會(huì)造成死鎖，因?yàn)檫@些線程交替執(zhí)行的方式不正確。具體來(lái)講，Printer對(duì)象為執(zhí)行其printer方法，鎖住了它的monitor；隨后Input對(duì)象為執(zhí)行其write方法，也鎖住了自己的monitor；而后printer方法需調(diào)用Input對(duì)象的write方法，但I(xiàn)nput對(duì)象的monitor已經(jīng)加鎖，因此printer方法等待。同時(shí)Input對(duì)象需加鎖printer對(duì)象的monitor，以執(zhí)行printer對(duì)象的sendData方法，printer對(duì)象的monitor已經(jīng)加鎖，因此Input對(duì)象也需等待。這樣造成彼此無(wú)限期等待，兩個(gè)線程均不能繼續(xù)(如圖2)。

圖2 兩線程的“死鎖”執(zhí)行狀態(tài)

3 改進(jìn)策略

可采用一些簡(jiǎn)單的策略和算法解決死鎖問(wèn)題，編制出正確線程程序。首先，完成給定的目標(biāo)任務(wù)，并且和其他任務(wù)同時(shí)運(yùn)行，多線程就需要應(yīng)用在這類編程中。此時(shí)，可明確控制每個(gè)線程完成的功能，線程同步位置在代碼中也就找到確定的位置。在上例中，大可不必應(yīng)用兩個(gè)線程去實(shí)行操作，因?yàn)樗鼈冎g關(guān)系是互相依賴，當(dāng)從一個(gè)synchronized方法中調(diào)用另一個(gè)synchronized方法時(shí)，要謹(jǐn)慎。因?yàn)槿绻蓛蓚€(gè)或兩個(gè)以上的線程能夠?qū)@些方法獨(dú)立實(shí)施時(shí)，可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)死鎖狀態(tài)。在這種情況下，即使用同步多線程技術(shù)，加鎖時(shí)間也應(yīng)當(dāng)縮短到最少。如果目標(biāo)完成需要較長(zhǎng)時(shí)間，最好不要加鎖。防止死鎖的另一種方法是，根據(jù)每個(gè)線程所需的資源數(shù)目，給競(jìng)爭(zhēng)的資源編號(hào)，讓它運(yùn)行時(shí)先得到序號(hào)較小的資源，然后再進(jìn)行大序號(hào)資源的爭(zhēng)奪。[3]

4 結(jié)語(yǔ)

Java語(yǔ)言編程技術(shù)越來(lái)越成熟，其同步線程模型改進(jìn)也將逐步完善。本文通過(guò)對(duì)Java語(yǔ)言內(nèi)置多線程機(jī)制和對(duì)引入的有效同步機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)和缺陷進(jìn)行具體論述，來(lái)探討解決多線程序并發(fā)程序異常問(wèn)題的解決方法。相信隨著新科技的發(fā)展，Java同步線程模型將會(huì)有突破性的發(fā)展。

[1]周志遠(yuǎn)，張大方，繆力.基于Java內(nèi)存模型的并發(fā)程序模型檢測(cè)[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2010，(3)：111-123.

[2]胡雯，趙海廷.JAVA多線程同步問(wèn)題研究[J].軟件導(dǎo)刊，2007，(1)：98-99.

[3]于利前，王林章，雷斌，等.靜動(dòng)態(tài)結(jié)合的Java程序不變性分析方法[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2010，(4)：736-745.

2015-03-12

黃 慶(1977-)，女，湖北武漢人，武漢交通職業(yè)學(xué)院電子與信息工程學(xué)院講師，主要從事計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)、項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的教學(xué)與研究。

10.3969/j.issn.1672-9846.2015.02.022

TP311.10

A

1672-9846(2015)02-0084-03