JAVA并发设计形式学习笔记（二）—— Single Threaded Execution Pattern

JAVA并发设计模式学习笔记（二）—— Single Threaded Execution Pattern
注：本文的主要参考资料为结城浩所著《JAVA多线程设计模式》。

单线程执行模式（Single Threaded Execution Pattern）是最简单的多线程设计模式，几乎所有其他的模式都在不同程度上应用了该模式。先看一个程序，通过它可以体验多线程程序无法正确执行的场景，这里所写的是个关于“只能单个通过的门”的程序：有三个人频繁地、反复地经过一个只能容许单人经过的门，当人通过门的时候，这个程序显示出通过人的“姓名”与“出生地”，其代码如下：

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();
    }
    public String toString() {
        return "No." + counter + ": " + name + ", " + address;
    }
    private void check() {
        if (name.charAt(0) != address.charAt(0)) {
            System.out.println("***** BROKEN ***** " + toString());
        }
    }
}

public class UserThread extends Thread {
    private final Gate gate;
    private final String myname;
    private final String myaddress;
    public UserThread(Gate gate, String myname, String myaddress) {
        this.gate = gate;
        this.myname = myname;
        this.myaddress = myaddress;
    }
    public void run() {
        System.out.println(myname + " BEGIN");
        while (true) {
            gate.pass(myname, myaddress);
        }
    }
}

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Testing Gate, hit CTRL+C to exit.");
        Gate gate = new Gate();
        new UserThread(gate, "Alice", "Alaska").start();
        new UserThread(gate, "Bobby", "Brazil").start();
        new UserThread(gate, "Chris", "Canada").start();
    }
}

这里用到了一个小小的技巧：我们将姓名与出生地的“头一个”字母设计为相同（A、B或者C），因此可以通过校验两者来观察线程间是否有“互窜”的现象。

在PC机上运行一会儿，一定会打印出“***Broken***”字样，说明上述程序存在线程安全问题（确切来说，是Gate.java是非线程安全的类）。

上述现象之所以会发生，关键问题还是出在Gate类pass方法中，详细看一下代码：

public void pass(String name, String address) {
        this.counter++;
        this.name = name;
        this.address = address;
        check();
}

为简单说明，现假设只有两个线程（Alice与Bobby），它们每次调用pass的顺序可能是完全随机的，因此会存在某一刻，pass中的四条语句可能是交错执行的；假设它们的执行顺序如下：

线程Alice	线程Bobby	this.name的值	this.address的值
this.counter++;	this.counter++;	（之前的值）	（之前的值）
	this.name = name;	"Bobby"	（之前的值）
this.name = name;		"Alice"	（之前的值）
this.address = address;		"Alice"	"Alaska"
	this.address = address;	"Alice"	"Brazil"
check();	check();	"Alice"	"Brazil"

线程Alice	线程Bobby	this.name的值	this.address的值
this.counter++;	this.counter++;	（之前的值）	（之前的值）
this.name = name;		"Alice"	（之前的值）
	this.name = name;	"Bobby"	（之前的值）
	this.address = address;	"Bobby"	"Brazil"
this.address = address;		"Bobby"	"Alaska"
check();	check();	"Bobby"	"Alaska"

无论发生上述哪一种，都会使name与address出现非预期的结果。以上是没有使用Single Threaded Execution Pattern的情况。如需做线程安全的改造，可将Gate改造为如下：

public class Gate {
    private int counter = 0;
    private String name = "Nobody";
    private String address = "Nowhere";
    public synchronized void pass(String name, String address) {
        this.counter++;
        this.name = name;
        this.address = address;
        check();
    }
    public synchronized String toString() {
        return "No." + counter + ": " + name + ", " + address;
    }
    private void check() {
        if (name.charAt(0) != address.charAt(0)) {
            System.out.println("***** BROKEN ***** " + toString());
        }
    }
}

在我的机器上，无论多久都没有显示BROKEN消息。这个执行结果虽然不能证明Gate类的安全性，但我们可以说该程序安全的可能性很大。

上述情况之所以会显示BROKEN，是因为pass方法内的程序可能会被多个线程穿插执行。synchronized方法，能够保证同时只有一个线程可以执行它。线程Alice执行pass方法的时候，线程Bobby就不能调用pass方法。在线程Alice执行完pass方法之前，线程Bobby会在pass方法的入口处被阻挡下。当线程Alice执行完pass方法之后，将锁定解除线程Bobby才可以开始执行pass方法。所有，只要将pass方法声明称synchronized的，就绝对不会出现上面表中的情况；而一定是下图的两种情况之一：

线程Alice	线程Bobby	this.name的值	this.address的值
【获取锁定】
this.counter++		（之前的值）	（之前的值）
this.name = name		"Alice"	（之前的值）
this.address = address		"Alice"	"Alaska"
check();		"Alice"	"Alaska"
【解除锁定】
	【获取锁定】
	this.counter++	"Alice"	"Alaska"
	this.name = name	"Bobby"	"Alaska"
	this.address = address	"Bobby"	"Brazil"
	check();	"Bobby"	"Brazil"
	【解除锁定】

线程Alice	线程Bobby	this.name的值	this.address的值
	【获取锁定】
	this.counter++	（之前的值）	（之前的值）
	this.name = name	"Bobby"	（之前的值）
	this.address = address	"Bobby"	"Brazil"
	check();	"Bobby"	"Brazil"
	【解除锁定】
【获取锁定】
this.counter++		"Bobby"	"Brazil"
this.name = name		"Alice"	"Brazil"
this.address = address		"Alice"	"Alaska"
check();		"Alice"	"Alaska"
【解除锁定】

这里再说明一下，toString方法需要加上synchronized的理由，以及check方法不加上synchronized的理由：

• 假设线程A正在调用pass方法，而线程B此时正在调用toString，由于线程B在引用name之后再引用address，此间隙线程A可能会改掉address的值，因此可能会输出不一致的name与address；即此时，pass是线程安全的，但toString却不是线程安全的。
• 由于check方法是private的，这意味着它不会被客户端直接调用，而唯一调用check方法的pass已被设成synchronized了，因此，不需要再将check设置成synchronized方法。虽然将check方法设置成synchronized不会产生问题，但锁定会带来一定的开销，因此完全没有必要。

总的来说，一个多线程下的程序，往往有会一块“限制多个线程访问”的程序块，这部分可称为临界区。临界区的存在一定会使程序的执行性能下降，主要是因为：

• 获取锁定需要花时间
• 线程冲突时必须进行等待。当一个线程执行临界区内的操作时，其他要进入临界区的线程会被阻挡。

学习&理解该模式的一个很好的方法，就是每当看见synchronized方法时，都去思考一下“该synchronized是在保护什么东西”?在上面的例子中，这个方法实质上是在保护counter、name以及address字段不会被多个线程同时访问。

如果我们为Gate类添加synchronized的setter方法，它还是线程安全的吗？

public synchronized void setName(String name)
{
    this.name = name;
}

public synchronized void setAddress(String address)
{
    this.address = address;
}

尽管这些方法都被设置成synchronized了，但是Gate类还是不安全的。因为name与address非得合在一起赋值才行。之所以将pass方法设置成synchronized，主要就是为了不要让多个线程穿插赋值。如果开放出setName、setAddress等方法，线程对字段的赋值操作就被分散了。因此，要保护，就要合在一起保护，否则是没有意义的。

另外，调用synchronized方法的线程，一定会获取this的锁定。一个实例的锁定，某个时刻内只能被一个线程所享用。换句话说，如果实例不同，即使用synchronized方法保护，多个线程还是能各自执行。