并发（5）：共享受限资源（上）

痛定思痛。 2023-03-13 06:14 10阅读 0赞

可以把单线程程序当作问题域求解的单一实体，每次只能做一件事情。因为只有一个实体，所以永远不用担心诸如“两个实体试图同时使用同一个资源”这样的问题——比如，两个人在同一个地方停车，两个人同时走过一扇门，甚至两个人同时说话。

有了并发就可以同时做多件事情了，但是，两个或多个线程彼此互相干涉的问题也就出现了。如果不防范这种冲突，就可能发生两个线程同时试图访问同一个银行账户，或向同一个打印机打印，改变同一个值等诸如此类的问题。

### 一、不正确地访问资源 ###

考虑下面的例子，其中一个任务产生偶数，而其他任务消费这些数字。这里，消费者任务的唯一工作就是检查偶数的有效性。

首选，我们定义EvenChecker，即消费者任务，因为它将在随后所有的示例中被复用。为了将EvenChecker与我们要试验的各种类型的生成器解耦，我们将创建一个名为IntGenerator的抽象类，它包含EvenChecker必须了解的必须不可少的方法：即一个next()方法，和一个可以执行撤销的方法。这个类没有实现Generator接口，因为它必须产生一个int，而泛型不支持基本类型的参数：

package concurrency;
    
    public abstract class IntGenerator {
    	// 取消
    	private volatile boolean canceled = false;
    
    	public abstract int next();
    
    	public void cancel() {
    		canceled = true;
    	}
    
    	public boolean isCanceled() {
    		return canceled;
    	}
    }

IntGenerator有一个cancel()方法，可以修改boolean类型的canceled标志的状态；还有一个isCanceled()方法，可以查看该对象是否已经被取消。因为canceled标志是boolean类型的，所以它是原子性的，即诸如赋值和返回值这样的简单操作在发生时没有中断的可能，因此你不会看到这个域处于在执行这些简单操作的过程中的中间状态。为了保证可视性，canceled标志还是volatile的。你将在本章稍后学习原子性和可视性。

任何IntGenerator都可以用下面的EvenChecker类来测试：

package concurrency;
    
    import java.util.concurrent.ExecutorService;
    import java.util.concurrent.Executors;
    
    public class EvenChecker implements Runnable {
    
    	private IntGenerator generator;
    	private final int id;
    
    	public EvenChecker(IntGenerator g, int ident) {
    		generator = g;
    		id = ident;
    	}
    
    	@Override
    	public void run() {
    		while (!generator.isCanceled()) {
    			int val = generator.next();
    			if (val % 2 != 0) {
    				System.out.println(val + "net even!");
    				generator.cancel();
    			}
    		}
    	}
    
    	public static void test(IntGenerator gp, int count) {
    		System.out.println("Press Control-C to exit");
    		ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
    		for (int i = 0; i < count; i++) {
    			exec.execute(new EvenChecker(gp, i));
    		}
    	}
    
    	public static void test(IntGenerator gp) {
    		test(gp, 10);
    	}
    }

注意，本例中可以被撤销的类不是Runnable，而所有依赖于IntGenerator对象的EvenChecker任务将测试它，以查看它是否已经被撤销，正如你在run()中所见。通过这种方式，共享公共资源（IntGenerator）的任务可以观察该资源的终止信号。这可以消除所谓竞争条件，即两个或更多的任务竞争响应某个条件，因此产生冲突或不一致结果的情况。你必须仔细考虑并防范系统失败的所有可能途径，例如，一个任务不能依赖于另一个任务，因为任务关闭的顺序无法得到保证。这里，通过使用任务依赖于非任务对象，我们可以消除潜在的竞争条件。

test()方法通过启动大量使用相同的IntGenerator的EvenChecker，设置并执行对任何类型的IntGenerator的测试。如果IntGenerator引发失败，那么test()将报告它并返回，否则，你必须按下Control-C来终止它。

EvenChecker任务总是读取和测试从与其相关的IntGenerator返回的值。注意，如果generator.isCanceled()为true，则run()将返回，这将告知EvenChecker.test()中的Executor该任务完成了。任何EvenChecker任务都可以与其相关联的IntGenerator上调用cancel()，这将导致所有其他使用该IntGenerator的EvenChecker得体地关闭。在后面各节中，你将看到java包含的用于线程终止的各种更通用的机制。

我们看到的第一个IntGenerator有一个可以产生一系列偶数值的next()方法：

package concurrency;
    
    public class EvenGenerator extends IntGenerator {
    
    	private int currentEvenValue = 0;
    
    	@Override
    	public int next() {
    		++currentEvenValue; // 危险点
    		++currentEvenValue;
    		return currentEvenValue;
    	}
    
    	public static void main(String[] args) {
    		EvenChecker.test(new EvenGenerator());
    	}
    }

一个任务有可能在另一个任务执行第一个对currentEvenValue的递增操作之后，但是没有执行第二个操作之前，调用next()方法（即，代码中被注释为“危险点”的地方）。这将使这个值处于“不恰当”的状态。为了证明这是可能发生的，EvenChecker.test()创建了一组EvenChecker对象，以连续地读取并输出同一个EvenGenerator，并测试检查每个数值是否都是偶数。如果不是，就会报告错误，而程序也将关闭。

这个程序最终将失败，因为各个EvenChecker任务在EvenGenerator处于“不恰当的”状态时，仍能够访问其中的信息。但是，根据你使用的特定的操作系统和其他实现细节，知道EvenGenerator完成多次循环之前，这个问题都不会被探测到。如果你希望更快地发现失败，可以尝试着将对yield()的调用放置到第一个和第二个递增操作之间。这只是并发程序的部分问题——如果失败的概率非常低，那么即使存在缺陷，它们也可能看起来是正确的。

有一点很重要，那就是要注意到递增程序自身也需要多个步骤，并且在递增过程中任务可能会被线程机制挂起——也就是说，在java中，递增不是原子性的操作。因此，如果不保护任务，即使单一的递增也不是安全的。

### 二、解决共享资源竞争 ###

前面的示例展示了使用线程时的一个基本问题：你永远都不知道一个线程何时在运行。想象一下，你坐在桌边手拿叉子，正要去叉盘子中的最后一片食物，当你的叉子就要够着它时，这片食物突然消失了，因为你的线程被挂起了，而另一个餐者进入并吃掉了它。这正是在你编写并发程序时需要处理的问题。对于并发工作，你需要某种方式来防止两个任务访问相同的资源，至少在关键阶段不能出现这种情况。

防止这种冲突的方法就是当资源被一个任务使用时，在其上加锁。第一个访问某项资源的任务必须锁定这项资源，使其他任务在其被解锁之前，就无法访问它了，而在其被解锁之时另一个任务就可以锁定并使用它，以此类推。如果汽车前排座位是受限资源，那么大喊着“冲呀！”的孩子就会（在这次旅途过程中）获取其上的锁。

基本上所有的并发模式在解决线程冲突问题的时候，都是采用序列化访问共享资源的方案。这意味着在给定时刻只允许一个任务访问共享资源。通常这是通过在代码前面加上一条锁语句来实现的，这就使得在一段时间内只有一个任务可以运行这段代码。因为锁语句产生了一种互相排斥的效果，所以这种机制常常称为互斥量（mutex）。

考虑一下屋子里的浴室：多个人（即多个由线程驱动的任务）都希望能单独使用浴室（即共享资源）。为了使用浴室，一个人先敲门，看看是否能使用。如果没人的话，他就进入浴室并锁上门。这时其他人要使用浴室的话，就会被“阻挡”，所以他们要在浴室门口等待，直到浴室可以使用。

当浴室使用完毕，就该把浴室给其他人使用了（别的任务就可以访问资源了），这个比喻就有点不太准确了。事实上，人们并没有排队，我们也不能确定谁将是下一个使用浴室的人，因为线程调度机制并不是确定性的。实际情况是：等待使用浴室的人们簇拥在浴室门口，当锁住浴室门的那个人打开锁准备离开的时候，离门最近的那个人可能进入浴室。如前所述，可以通过yield()和setPriority()来给线程调度器提供建议，但这些建议未必会有多大效果，这取决于你的具体平台和JVM实现。

java以提供关键字synchronized的形式，为防止资源冲突提供了内置支持。当任务要执行被synchronized关键字保护的代码片段的时候，它将检查锁是否可用，然后获取锁，执行代码，释放锁。

共享资源一般是以对象形式存在的内存片段，但也可以是文件、输入/输出端口，或者是打印机。要控制对共享资源的访问，得先把它包装进一个对象。然后把所有要访问这个资源的方法标记为synchronized。如果某个任务处于一个对标记为synchronized的方法调用中，那么在这个线程从该方法返回之前，其他所有要调用类中任何标记为synchronized方法的线程都会被阻塞。

在生成偶数的代码中，你已经看到了，你应该将类的数据成员都声明为private的，而且只能通过方法来访问这些数据；所以可以把方法标记为synchronized来防止资源冲突。下面是声明synchronized方法的方式：

synchronized void f() { /* ... */ }
    synchronized void g() { /* ... */ }

所有对象都自动含有单一的锁（也称为监视器）。当在对象上调用其任意synchronized方法的时候，此对象都被加锁，这时该对象上的其他synchronized方法只有等到前一个方法调用完毕并释放了锁之后才能被调用。对于前面的方法，如果某个任务对对象调用了f()方法，对于同一个对象而言，就只能等到f()调用结束并释放锁之后，其他任务才能调用f()和g()。所以，对于某个特定对象来说，其所有synchronized方法共享同一个锁，这可以被用来防止多个任务同时访问被编码的对象内存。

注意，在使用并发时，将域设置为private是非常重要的，否则，synchronized关键字就不能防止其他任务直接访问域，这样就会产生冲突。

一个任务可以多次获得对象的锁。如果一个方法在同一个对象上调用了第二个方法，后者又调用了同一对象上的另一个方法，就会发生这种情况。JVM负责跟踪对象被加锁的次数。如果一个对象被解锁（即锁被完全释放），其计数变为0。在任务第一次给对象加锁的时候，计数器变为1.每当这个相同的任务在这个对象上获得锁时，计数都会递增。显然，只有首先获得了锁的任务才能允许继续获取多个锁。每当任务离开一个synchronized方法，计数递减，当计数为零的时候，锁被完全释放，此时别的任务就可以使用此资源。

针对每个类，也有一个锁（作为类的Class对象的一部分），所以synchronized static方法可以在类的范围内防止对static数据的并发访问。

你应该什么时候同步呢？可以运用Brian的同步规则：

**如果你正在写一个变量，它可能接下来将被另一个线程读取，或者正在读取一个上一次已经被另一个线程写过的变量，那么你必须使用同步，并且，读写线程都必须用相同的监视器锁同步。**

如果你的类中有超过一个方法在处理临界数据，那么你必须同步所有相关的方法。如果同步一个方法，那么其他方法将会随意地忽略这个对象锁，并可以在无任何惩罚的情况下被调用。这是很重要的一点：每个访问临界共享资源的方法都必须被同步，否则它们就不会正确的工作。

**（1）同步控制EvenGenerator**

通过在EvenGenerator.java中加入synchronized关键字，可以防止不希望的线程访问：

package concurrency;
    
    public class SynchronizedEvenGenerator extends IntGenerator {
    
    	private int currentEvenValue = 0;
    
    	@Override
    	public synchronized int next() {
    		++currentEvenValue;
    		Thread.yield(); // 导致失败的更快
    		++currentEvenValue;
    		return currentEvenValue;
    	}
    
    	public static void main(String[] args) {
    		EvenChecker.test(new SynchronizedEvenGenerator());
    	}
    }

对Thread.yield()的调用被插入到了两个递增操作之间，以提高在currentEvenValue是奇数状态时上下文切换的可能性。因为互斥可以防止多个任务同时进入临界区，所以这不会产生任何失败。但是如果失败将会发生，调用yield()是一种促使其发生的有效方式。

第一个进入test()的任务将获得锁，任何其他试图获取锁的任务都将从其开始尝试之时被阻塞，直至第一个任务释放锁。通过这种方式，任何时刻只有一个任务可以通过由互斥量看护的代码。

**（2）使用显示的Lock对象**

java SE5的java.util.concurrent类库还包含有定义java.util.concurrent.locks中的显式的互斥机制。Lock对象必须被显式的创建、锁定和释放。因此，它与内建的锁形式相比，代码缺乏优雅性。但是，对于解决某些类型的问题来说，它更加灵活。下面用显式的Lock重写的SynchronizedEvenGenerator.java：

package concurrency;
    
    import java.util.concurrent.locks.Lock;
    import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
    
    public class MutexEvenGenerator extends IntGenerator {
    
    	private int currnetEvenValue = 0;
    	private Lock lock = new ReentrantLock();
    
    	@Override
    	public int next() {
    		lock.lock();
    		try {
    			++currnetEvenValue;
    			Thread.yield();
    			++currnetEvenValue;
    			return currnetEvenValue;
    		} finally {
    			lock.unlock();
    		}
    	}
    
    	public static void main(String[] args) {
    		EvenChecker.test(new MutexEvenGenerator());
    	}
    }

MutexEvenGenerator添加了一个被互斥调用的锁，并使用lock()和unlock()方法在next()内部创建了临界资源。当你使用Lock对象时，这里所示的惯用法内部化是很重要的：紧接着的对lock()的调用，你必须放置在finally子句中带有unlock的try-finally语句中。注意，return语句必须在try子句中出现，以确保unlock()不会过早发生，从而将数据暴露给第二个任务。

尽管try-finally所需的代码比synchronized关键字要多，但是这也代表了显式的Lock对象的优点之一。如果在使用synchronized关键字时，某些事物失败了，那么就会抛出一个异常。但是你没有机会去做任何清理工作，以维护系统使其处于良好状态。有了显式的Lock对象，你就可以使用finally子句将系统维护在正确的状态了。

大体上，当你使用synchronized关键字时，需要写的代码量更少，并且用户错误出现的可能性也会降低，因此通常只有在解决特殊问题时，才使用显式的Lock对象。例如，用synchronized关键字不能尝试着获取锁且最终获取锁会失败，或者尝试着获取锁一段时间，然后放弃它，要实现这些，你必须使用concurrent类库：

package concurrency;
    
    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
    
    public class AttemptLocking {
    	private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    
    	public void untimed() {
    		boolean captured = lock.tryLock();
    		try {
    			System.out.println("tryLock(): " + captured);
    		} finally {
    			if (captured) {
    				lock.unlock();
    			}
    		}
    	}
    
    	public void timed() {
    		boolean captured = false;
    		try {
    			captured = lock.tryLock(2, TimeUnit.SECONDS);
    		} catch (InterruptedException e) {
    			e.printStackTrace();
    		}
    		try {
    			System.out.println("tryLock(2, TimeUnit.SECONDS): " + captured);
    		} finally {
    			if (captured) {
    				lock.unlock();
    			}
    		}
    	}
    
    	public static void main(String[] args) {
    		final AttemptLocking al = new AttemptLocking();
    		al.untimed(); // True -- 锁可用
    		al.timed(); // True -- 锁可用
    		// 现在创建一个单独的任务来获取锁
    		new Thread() {
    			{
    				setDaemon(true);
    			}
    
    			public void run() {
    				al.lock.lock();
    				System.out.println("取得");
    			}
    		}.start();
    		// 给第二个任务一个机会
    		try {
    			TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
    		} catch (InterruptedException e) {
    			e.printStackTrace();
    		}
    		al.untimed(); // False -- 任务锁定
    		al.timed(); // False -- 任务锁定
    	}
    }

ReentrantLock允许你尝试着获取但最终未获取的锁，这样如果其他人已经获取了这个锁，那你就可以决定离开去执行其他一些事情，而不是等待直至这个锁被释放，就像在untimed()方法中所看到的。在timed()中，做出了尝试去获取锁，该尝试可以在2秒之后失败（注意，使用了java SE5的TimeUnit类来指定时间单位）。在main()中，作为匿名类而创建了一个单独的Thread，它将获取锁，这使得untimed()和timed()方法对某些事物将产生竞争。

显式的Lock对象在加锁和释放锁方面，相对于内建的synchronized锁来说，还赋予了你更细粒度的控制力。这对于实现专有同步结构是很有用的，例如，用于遍历链接列表中的节点的节节传递的加锁机制（也称为锁耦合），这种遍历代码必须在释放当前节点的锁之前捕获下一个节点的锁。

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