Java 多线程设计模式之 Single Threades Execution

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.javapublicclassMain{publicstaticvoidmain(String[] args){        Gate gate =newGate();newUserThread(gate,"Bob","Britain").start();newUserThread(gate,"Cao","China").start();newUserThread(gate,"Uber","USA").start();    }}复制代码

// Gate.javapublicclassGate{privateintcounter =0;privateString name ="Nobody";privateString address ="NoWhere";publicvoidpass(String name, String address){this.counter++;this.name = name;this.address = address;        check();    }privatevoidcheck(){if(this.name.charAt(0) !=this.address.charAt(0)) {            System.out.println("******** BROKEN ********** : "+ toString());        }    }@OverridepublicStringtoString(){return"No. "+this.counter +" : "+this.name +" , "+this.address;    }}复制代码

// UserThread.javapublicclassUserThreadextendsThread{privatefinalGate gate;privatefinalString name;privatefinalString address;publicUserThread(Gate gate, String name, String address){this.gate = gate;this.name = name;this.address = address;    }@Overridepublicvoidrun(){        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 BEGINCao BEGIN******** BROKEN ********** : No. 59622 : Bob , BritainUber 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.javapublicclassGate{    ...publicsynchronizedvoidpass(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.javapublicclassBoundedResource{privatefinalintpermits;privatefinalSemaphore semaphore;privatefinalRandom random =newRandom(314159);publicBoundedResource(intpermits){this.semaphore =newSemaphore(permits);this.permits = permits;    }publicvoiduse()throwsInterruptedException{try{this.semaphore.acquire();            doUse();        }finally{this.semaphore.release();        }    }privatevoiddoUse()throwsInterruptedException{        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.javapublicclassSemaphoreThreadextendsThread{privatefinalRandom random =newRandom(26535);privatefinalBoundedResource resource;publicSemaphoreThread(BoundedResource resource){this.resource = resource;    }@Overridepublicvoidrun(){try{while(true) {this.resource.use();                Thread.sleep(this.random.nextInt(2000));            }        }catch(InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }    }}复制代码

// Main.javapublicclassMain{publicstaticvoidmain(String[] args){        BoundedResource boundedResource =newBoundedResource(3);newSemaphoreThread(boundedResource).start();newSemaphoreThread(boundedResource).start();newSemaphoreThread(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

作者：Java邵先生
链接：https://www.jianshu.com/p/1b482a3fbc95