本文從典型的 Monitor Object 設(shè)計模式入手,從一個新的視角,來探討 Java 語言的同步機制。<!--START RESERVED FOR FUTURE USE INCLUDE FILES--><!-- include java script once we verify teams wants to use this and it will work on dbcs and cyrillic characters --> <!--END RESERVED FOR FUTURE USE INCLUDE FILES-->
本文將從兩個方面進行闡述:
- 使 用 C++ 語言來描述 Monitor Object 設(shè)計模式。Java 對于這樣一個典型的模式做了很好的語言層面的封裝,因此對于 Java 的開發(fā)者來說,很多關(guān)于該模式本身的東西被屏蔽掉了。本文試圖使用 Native C++ 語言,幫助讀者從本質(zhì)上對 Monitor object 設(shè)計模式有一個更全面的認識。
- 結(jié)合 C++ 版本的 Monitor Object 設(shè)計模式,引領(lǐng)讀者對于 Java 同步機制有一個更深刻的認識,幫助讀者正確有效地使用 Java 同步機制。
在開始正式討論之前,需要了解一些預(yù)備知識。
資 源獲取即初始化(RAII, Resource Acquisition Is Initialization)是指,在一個對象的構(gòu)造函數(shù)中獲得資源 , 并且在該對象的析構(gòu)函數(shù)中釋放它。這個資源可以是對象、內(nèi)存、文件句柄或者其它類型。實現(xiàn)這種功能的類,我們就說它采用了資源獲取即初始化(RAII)的 方式。 RAII 是一種很典型的語言慣用法,被很多的 OO 語言所使用,下面是 C++ 的例子。
清單 1. RAII Using C++
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使 用 RAII 的好處是:由于析構(gòu)函數(shù)由系統(tǒng)自動調(diào)用,這樣可以幫助我們自動地隱式釋放我們所獲取的資源。事情上,我們熟知的很多 c++ 技術(shù)都用到了這一設(shè)計模式,比如:智能指針 (Smart Pointer),以及我們接下來要討論的范圍鎖 (Scoped Lock) 。
不同于 C++,Java 對象沒有析構(gòu)函數(shù),Java System 提供了 GC 來管理內(nèi)存資源。而對于像數(shù)據(jù)庫連接,Sockets 這樣類型的資源, Java 提供了 finalize() 來處理。但是,請注意,Java 的 finalizer 與 C++ 的析構(gòu)函數(shù)是不同的, finalize() 函數(shù)由 GC 異步地在某個恰當?shù)臅r候調(diào)用,我們不能等同地使用 finalize() 來實現(xiàn) C++ 里的 RAII 。通常的做法是使用 Java 提供的 finally 語句塊。
清單 2. RAII Using Java
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區(qū)域鎖是指線程執(zhí)行進入一個區(qū)域時,一個鎖將自動被獲取,當該線程執(zhí)行離開這個區(qū)域時,這個鎖將被自動釋放。 C++ 區(qū)域鎖的實現(xiàn)使用了 RAII 技術(shù) , 實現(xiàn)如下。
清單 3. Scoped Lock Using C++
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Guard 是一個模板類,LOCK 類型指的是對操作系統(tǒng)提供的線程鎖的抽象,比如,在 Windows 平臺上,LOCK 可以是對 CRITICAL_SECTION 的封裝。
那么對于 Java,怎么實現(xiàn)區(qū)域鎖呢?不必擔心,Java 對于區(qū)域鎖模式在語言層面上已經(jīng)做了封裝,所以對于 Java 開發(fā)者來說,不必像 C++ 這樣來開發(fā)自己的區(qū)域鎖類,這就是我們所熟知的 synchronized 關(guān)鍵字。
清單 4. Scoped Lock Using Java
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synchronized 保證在進入該區(qū)域后,獲得對象鎖,不管最終該函數(shù)從哪里退出,該對象鎖都會被正確釋放。
條 件變量通常被一個線程用于使自己等待,直到一個涉及共享數(shù)據(jù)的條件表達式到達特定的狀態(tài)。當另外的協(xié)作線程指示共享數(shù)據(jù)的狀態(tài)已發(fā)生變化,調(diào)度器就喚醒在 該條件變量上掛起的線程。于是新喚醒的線程重新對它的條件表達式進行求值,如果共享數(shù)據(jù)已到達合適狀態(tài),就恢復(fù)處理。以下是條件變量的 C++ 實現(xiàn)。
清單 5. Thread Condition Using C++
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Thread_Condition 的實現(xiàn)與操作系統(tǒng)提供的 API 密切相關(guān),以上的例子是基于 Solaris condition variable API 的面向?qū)ο蟮姆庋b。另外,這里的 Thread_Mutex 類型是對操作系統(tǒng)提供的線程鎖的面向?qū)ο蟮姆庋b (Thread_Mutex 類型就是 Guard 模板參數(shù) LOCK 所指向的類型 ) 。
而對于 Java,問題就變得簡單很多,你不需要去封裝自己的條件變量類,Java 的根類 Object 提供了 wait/notify/notifyAll 方法給開發(fā)者,很容易使用,這個我們在后面的討論中會看到。
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Monitor Object 設(shè)計模式 C++ 描述
我們將從以下幾個方面來討論 Monitor Object 模式。
我們在開發(fā)并發(fā)的應(yīng)用時,經(jīng)常需要設(shè)計這樣的對象,該對象的方法會在多線程的環(huán)境下被調(diào)用,而這些方法的執(zhí)行都會改變該對象本身的狀態(tài)。為了防止競爭條件 (race condition) 的出現(xiàn),對于這類對象的設(shè)計,需要考慮解決以下問題:
- 在任一時間內(nèi),只有唯一的公共的成員方法,被唯一的線程所執(zhí)行。
- 對于對象的調(diào)用者來說,如果總是需要在調(diào)用方法之前進行拿鎖,而在調(diào)用方法之后進行放鎖,這將會使并發(fā)應(yīng)用編程變得更加困難。合理的設(shè)計是,該對象本身確保任何針對它的方法請求的同步被透明的進行,而不需要調(diào)用者的介入。
- 如果一個對象的方法執(zhí)行過程中,由于某些條件不能滿足而阻塞,應(yīng)該允許其它的客戶端線程的方法調(diào)用可以訪問該對象。
我 們使用 Monitor Object 設(shè)計模式來解決這類問題:將被客戶線程并發(fā)訪問的對象定義為一個 monitor 對象??蛻艟€程僅僅通過 monitor 對象的同步方法才能使用 monitor 對象定義的服務(wù)。為了防止陷入競爭條件,在任一時刻只能有一個同步方法被執(zhí)行。每一個 monitor 對象包含一個 monitor 鎖,被同步方法用于串行訪問對象的行為和狀態(tài)。此外,同步方法可以根據(jù)一個或多個與 monitor 對象相關(guān)的 monitor conditions 來決定在何種情況下掛起或恢復(fù)他們的執(zhí)行。
在 Monitor Object 模式中,主要有四種類型的參與者:
- 監(jiān)視者對象 (Monitor Object): 負責定義公共的接口方法,這些公共的接口方法會在多線程的環(huán)境下被調(diào)用執(zhí)行。
- 同步方法:這些方法是監(jiān)視者對象所定義。為了防止競爭條件,無論是否同時有多個線程并發(fā)調(diào)用同步方法,還是監(jiān)視者對象含有多個同步方法,在任一時間內(nèi)只有監(jiān)視者對象的一個同步方法能夠被執(zhí)行。
- 監(jiān)視鎖 (Monitor Lock): 每一個監(jiān)視者對象都會擁有一把監(jiān)視鎖。
- 監(jiān)視條件 (Monitor Condition): 同步方法使用監(jiān)視鎖和監(jiān)視條件來決定方法是否需要阻塞或重新執(zhí)行。
在監(jiān)視者對象模式中,在參與者之間將發(fā)生如下的協(xié)作過程:
1、 同步方法的調(diào)用和串行化。當客戶線程調(diào)用監(jiān)視者對象的同步方法時,必須首先獲取它的監(jiān)視鎖。只要該監(jiān)視者對象有其他同步方法正在被執(zhí)行,獲取操作便不會成 功。在這種情況下,客戶線程將被阻塞直到它獲取監(jiān)視鎖。當客戶線程成功獲取監(jiān)視鎖后,進入臨界區(qū),執(zhí)行方法實現(xiàn)的服務(wù)。一旦同步方法完成執(zhí)行,監(jiān)視鎖會被 自動釋放,目的是使其他客戶線程有機會調(diào)用執(zhí)行該監(jiān)視者對象的同步方法。
2、同步方法線程掛起。如果調(diào)用同步方法的客戶線程必須被阻塞或是有其他原因不能立刻進行,它能夠在一個監(jiān)視條件上等待,這將導致該客戶線程暫時釋放監(jiān)視鎖,并被掛起在監(jiān)視條件上。
3、監(jiān)視條件通知。一個客戶線程能夠通知一個監(jiān)視條件,目的是為了讓一個前期使自己掛起在一個監(jiān)視條件上的同步方法線程恢復(fù)運行。
4、同步方法線程恢復(fù)。一旦一個早先被掛起在監(jiān)視條件上的同步方法線程獲取通知,它將繼續(xù)在最初的等待監(jiān)視條件的點上執(zhí)行。在被通知線程被允許恢復(fù)執(zhí)行同步方法之前,監(jiān)視鎖將自動被獲取。圖 1 描述了
監(jiān)視者
對象的動態(tài)特性。
圖 1. Monitor Object Sequence Diagram.

在本節(jié)中,我們將使用監(jiān)視者對象設(shè)計模式來解決一個實際的問題。
這是一個典型的生產(chǎn)者 / 消費者模式問題。假定我們有一個固定長度的消息隊列,該隊列會被多個生產(chǎn)者 / 消費者線程所操作,生產(chǎn)者線程負責將消息放入該隊列,而消費者線程負責從該對列中取出消息。
清單 6. Message_Queue.h
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清單 7. Message_Queue.cpp
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Java Monitor 從兩個方面來支持線程之間的同步,即:互斥執(zhí)行與協(xié)作。 Java 使用對象鎖 ( 使用 synchronized 獲得對象鎖 ) 保證工作在共享的數(shù)據(jù)集上的線程互斥執(zhí)行 , 使用 notify/notifyAll/wait 方法來協(xié)同不同線程之間的工作。這些方法在 Object 類上被定義,會被所有的 Java 對象自動繼承。
實質(zhì)上,Java 的 Object 類本身就是監(jiān)視者對象,Java 語言對于這樣一個典型并發(fā)設(shè)計模式做了內(nèi)建的支持。不過,在 Java 里,我們已經(jīng)看不到了我們在 C++ 一節(jié)所討論的區(qū)域鎖與條件變量的概念。下圖很好地描述了 Java Monitor 的工作機理。
圖 2. Java Monitor

線程如果獲得監(jiān)視鎖成功,將成為該監(jiān)視者對象的擁有者。在任一時刻內(nèi),監(jiān)視者對象只屬于一個活動線程 (Owner) 。擁有者線程可以調(diào)用 wait 方法自動釋放監(jiān)視鎖,進入等待狀態(tài)。
在本節(jié),我們將用 Java Monitor 來重新解決用 C++ 實現(xiàn)的生產(chǎn)者 / 消費者模式問題。
清單 8. Message Class
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清單 9. MessageQueue Class
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在 Java 的示例中,沒有放更多的注釋,希望讀者通過對照 C++ 的示例,來閱讀理解這里的 Java 代碼??梢钥吹?,使用 Java 的版本代碼簡潔了很多。另外,這里提供的 Java 代碼,稍作修改,是直接可以作為獨立的 Java 程序運行的。
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我們對比一下 Monitor Object 設(shè)計模式的 C++ 版本與 Java 版本,做出如下的總結(jié)。
在 Java 的版本中,我們不需要親自開發(fā) Scoped Lock,Thread Condition 類,Java 語言給我們提供了內(nèi)建的支持,我們很容易使用 synchronized, wait/notify 這些 Java 特性來構(gòu)建基于 Monitor Object 模式的應(yīng)用。而缺點是:缺乏一些必要的靈活性。比如 : 在 Java 的版本中,我們并不能區(qū)分出 not empty 與 not full 這兩個條件變量,所以我們只能使用 notifyAll 來通知所有等待者線程,而 C++ 版本使用了不同的通知喚醒:not_full_.notify 與 not_empty_.notify 。同樣,在 Java 中對于 synchrnonized 的使用,后面一定要跟 {} 語句塊,這在代碼的書寫上有些不靈活,而在 C++ 中的,Scoped Lock 默認就是保護當前的語句塊,當然你也可以選擇使用 {} 來顯式聲明。而且,使用 synchroninzed 所獲得的對象鎖,無法細粒度地區(qū)分是獲得讀鎖還是寫鎖。
不過總的來說,Java 的確簡化了基于 Monitor Object 并發(fā)模式的開發(fā)。不過,我們應(yīng)該意識到,并發(fā)的實際應(yīng)用開發(fā)決不會像 Java 語法這么體現(xiàn)出來的簡單,簡潔。我們更應(yīng)該看到并發(fā)應(yīng)用程序本質(zhì)的一些東西,這有利于幫助我們構(gòu)建更加健壯的并發(fā)應(yīng)用。
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Java單例對象同步問題探討
”(developerWorks,2003 年 12 月):本文將探討一下在多線程環(huán)境下,使用單例對象作配置信息管理時可能會帶來的幾個同步問題,并針對每個問題給出可選的解決辦法。
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Java 理論與實踐: Mustang 中的同步優(yōu)化
”(developerWorks,2005 年 11 月):本文介紹一些為 Mustang 安排的同步優(yōu)化。
- developerWorks Java 技術(shù)專區(qū) :這里有數(shù)百篇關(guān)于 Java 編程的文章。
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李三紅任職于 IBM CDL,負責 Lotus Notes 產(chǎn)品研發(fā)。 |
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