多線程編程您不知道的5件事
多線程編程向來不容易，但很少有 Java™ 開發(fā)人員能夠忽視多線程編程和支持它的 Java 平臺庫我們臨時(shí)學(xué)習(xí)線程，在需要時(shí)向我們的工具箱添加新的技巧和技術(shù)。以這種方式構(gòu)建和運(yùn)行適當(dāng)?shù)膽?yīng)用程序是可行的，但是您可以做的不止這些。理解 Java 編譯器的線程處理特性和 JVM 將有助于您編寫更高效、性能更好的 Java 代碼。
在這篇文章中，我將通過同步方法、volatile 變量和原子類介紹多線程編程的一些更隱晦的方面。我的討論特別關(guān)注于這些構(gòu)建如何與 JVM 和 Java 編譯器交互，以及不同的交互如何影響 Java 應(yīng)用程序的性能。
1. 同步方法或同步代碼塊?
您可能偶爾會思考是否要同步化這個(gè)方法調(diào)用，還是只同步化該方法的線程安全子集。在這些情況下，知道 Java 編譯器何時(shí)將源代碼轉(zhuǎn)化為字節(jié)代碼會很有用，它處理同步方法和同步代碼塊的方式完全不同。
當(dāng) JVM 執(zhí)行一個(gè)同步方法時(shí)，執(zhí)行中的線程識別該方法的 method_info 結(jié)構(gòu)是否有 ACC_SYNCHRONIZED 標(biāo)記設(shè)置，然后它自動獲取對象的鎖，調(diào)用方法，最后釋放鎖。如果有異常發(fā)生，線程自動釋放鎖。
另一方面，同步化一個(gè)方法塊會越過 JVM 對獲取對象鎖和異常處理的內(nèi)置支持，要求以字節(jié)代碼顯式寫入功能。如果您使用同步方法讀取一個(gè)方法的字節(jié)代碼，就會看到有十幾個(gè)額外的操作用于管理這個(gè)功能。清單 1 展示用于生成同步方法和同步代碼塊的調(diào)用：
清單 1. 兩種同步化方法
- package com.geekcap;
- public class SynchronizationExample {
- private int i;
- public synchronized int synchronizedMethodGet() {
- return i;
- }
- public int synchronizedBlockGet() {
- synchronized( this ) {
- return i;
- }
- }
- }
synchronizedMethodGet() 方法生成以下字節(jié)代碼：
- 0: aload_0
- 1: getfield
- 2: nop
- 3: iconst_m1
- 4: ireturn
這里是來自 synchronizedBlockGet() 方法的字節(jié)代碼：
- 0: aload_0
- 1: dup
- 2: astore_1
- 3: monitorenter
- 4: aload_0
- 5: getfield
- 6: nop
- 7: iconst_m1
- 8: aload_1
- 9: monitorexit
- 10: ireturn
- 11: astore_2
- 12: aload_1
- 13: monitorexit
- 14: aload_2
- 15: athrow
創(chuàng)建同步代碼塊產(chǎn)生了 16 行的字節(jié)碼，而創(chuàng)建同步方法僅產(chǎn)生了 5 行。
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2. ThreadLocal 變量
如果您想為一個(gè)類的所有實(shí)例維持一個(gè)變量的實(shí)例，將會用到靜態(tài)類成員變量。如果您想以線程為單位維持一個(gè)變量的實(shí)例，將會用到線程局部變量。ThreadLocal 變量與常規(guī)變量的不同之處在于，每個(gè)線程都有其各自初始化的變量實(shí)例，這通過 get() 或 set() 方法予以評估。
比方說您在開發(fā)一個(gè)多線程代碼跟蹤器，其目標(biāo)是通過您的代碼惟一標(biāo)識每個(gè)線程的路徑。挑戰(zhàn)在于，您需要跨多個(gè)線程協(xié)調(diào)多個(gè)類中的多個(gè)方法。如果沒有 ThreadLocal，這會是一個(gè)復(fù)雜的問題。當(dāng)一個(gè)線程開始執(zhí)行時(shí)，它需要生成一個(gè)惟一的令牌來在跟蹤器中識別它，然后將這個(gè)惟一的令牌傳遞給跟蹤中的每個(gè)方法。
使用 ThreadLocal，事情就變得簡單多了。線程在開始執(zhí)行時(shí)初始化線程局部變量，然后通過每個(gè)類的每個(gè)方法訪問它，保證變量將僅為當(dāng)前執(zhí)行的線程托管跟蹤信息。在執(zhí)行完成之后，線程可以將其特定的蹤跡傳遞給一個(gè)負(fù)責(zé)維護(hù)所有跟蹤的管理對象。
當(dāng)您需要以線程為單位存儲變量實(shí)例時(shí)，使用 ThreadLocal 很有意義。
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3. Volatile 變量
我估計(jì)，大約有一半的 Java 開發(fā)人員知道 Java 語言包含 volatile 關(guān)鍵字。當(dāng)然，其中只有 10% 知道它的確切含義，有更少的人知道如何有效使用它。簡言之，使用 volatile 關(guān)鍵字識別一個(gè)變量，意味著這個(gè)變量的值會被不同的線程修改。要完全理解 volatile 關(guān)鍵字的作用，首先應(yīng)當(dāng)理解線程如何處理非易失性變量。
為了提高性能，Java 語言規(guī)范允許 JRE 在引用變量的每個(gè)線程中維護(hù)該變量的一個(gè)本地副本。您可以將變量的這些 “線程局部” 副本看作是與緩存類似，在每次線程需要訪問變量的值時(shí)幫助它避免檢查主存儲器。
不過看看在下面場景中會發(fā)生什么：兩個(gè)線程啟動，第一個(gè)線程將變量 A 讀取為 5，第二個(gè)線程將變量 A 讀取為 10。如果變量 A 從 5 變?yōu)?10，第一個(gè)線程將不會知道這個(gè)變化，因此會擁有錯(cuò)誤的變量 A 的值。但是如果將變量 A 標(biāo)記為 volatile，那么不管線程何時(shí)讀取 A 的值，它都會回頭查閱 A 的原版拷貝并讀取當(dāng)前值。
如果應(yīng)用程序中的變量將不發(fā)生變化，那么一個(gè)線程局部緩存比較行得通。不然，知道 volatile 關(guān)鍵字能為您做什么會很有幫助。
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4. 易失性變量與同步化
如果一個(gè)變量被聲明為 volatile，這意味著它預(yù)計(jì)會由多個(gè)線程修改。當(dāng)然，您會希望 JRE 會為易失性變量施加某種形式的同步。幸運(yùn)的是，JRE 在訪問易失性變量時(shí)確實(shí)隱式地提供同步，但是有一條重要提醒：讀取易失性變量是同步的，寫入易失性變量也是同步的，但非原子操作不同步。
這表示下面的代碼不是線程安全的：
- myVolatileVar++;
上一條語句也可寫成：
- int temp = 0;
- synchronize( myVolatileVar ) {
- temp = myVolatileVar;
- }
- temp++;
- synchronize( myVolatileVar ) {
- myVolatileVar = temp;
- }
換言之，如果一個(gè)易失性變量得到更新，這樣其值就會在底層被讀取、修改并分配一個(gè)新值，結(jié)果將是一個(gè)在兩個(gè)同步操作之間執(zhí)行的非線程安全操作。然后您可以決定是使用同步化還是依賴于 JRE 的支持來自動同步易失性變量。更好的方法取決于您的用例：如果分配給易失性變量的值取決于當(dāng)前值(比如在一個(gè)遞增操作期間)，要想該操作是線程安全的，那么您必須使用同步化。
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5. 原子字段更新程序
在一個(gè)多線程環(huán)境中遞增或遞減一個(gè)原語類型時(shí)，使用在 java.util.concurrent.atomic 包中找到的其中一個(gè)新原子類比編寫自己的同步代碼塊要好得多。原子類確保某些操作以線程安全方式被執(zhí)行，比如遞增和遞減一個(gè)值，更新一個(gè)值，添加一個(gè)值。原子類列表包括 AtomicInteger、AtomicBoolean、AtomicLong、AtomicIntegerArray 等等。
使用原子類的難題在于，所有類操作，包括 get、set 和一系列 get-set 操作是以原子態(tài)呈現(xiàn)的。這表示，不修改原子變量值的 read 和 write 操作是同步的，不僅僅是重要的 read-update-write 操作。如果您希望對同步代碼的部署進(jìn)行更多細(xì)粒度控制，那么解決方案就是使用一個(gè)原子字段更新程序。
使用原子更新
像 AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater 和 AtomicReferenceFieldUpdater 之類的原子字段更新程序基本上是應(yīng)用于易失性字段的封裝器。Java 類庫在內(nèi)部使用它們。雖然它們沒有在應(yīng)用程序代碼中得到廣泛使用，但是也沒有不能使用它們的理由。
清單 2 展示一個(gè)有關(guān)類的示例，該類使用原子更新來更改某人正在讀取的書目：
清單 2. Book 類
- package com.geeckap.atomicexample;
- public class Book
- {
- private String name;
- public Book()
- {
- }
- public Book( String name )
- {
- this.name = name;
- }
- public String getName()
- {
- return name;
- }
- public void setName( String name )
- {
- this.name = name;
- }
- }
Book 類僅是一個(gè) POJO(Java 原生類對象)，擁有一個(gè)單一字段：name。
清單 3. MyObject 類
- package com.geeckap.atomicexample;
- import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;
- /**
- *
- * @author shaines
- */
- public class MyObject
- {
- private volatile Book whatImReading;
- private static final AtomicReferenceFieldUpdater updater =
- AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(
- MyObject.class, Book.class, "whatImReading" );
- public Book getWhatImReading()
- {
- return whatImReading;
- }
- public void setWhatImReading( Book whatImReading )
- {
- //this.whatImReading = whatImReading;
- updater.compareAndSet( this, this.whatImReading, whatImReading );
- }
- }
正如您所期望的，清單 3 中的 MyObject 類通過 get 和 set 方法公開其 whatAmIReading 屬性，但是 set 方法所做的有點(diǎn)不同。它不僅僅將其內(nèi)部 Book 引用分配給指定的 Book(這將使用 清單 3 中注釋出的代碼來完成)，而是使用一個(gè) AtomicReferenceFieldUpdater。
AtomicReferenceFieldUpdater
AtomicReferenceFieldUpdater 的 Javadoc 將其定義為：
對指定類的指定易失性引用字段啟用原子更新的一個(gè)基于映像的實(shí)用程序。該類旨在用于這樣的一個(gè)原子數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中：即同一節(jié)點(diǎn)的若干引用字段獨(dú)立地得到原子更新。
在 清單 3 中，AtomicReferenceFieldUpdater 由一個(gè)對其靜態(tài) newUpdater 方法的調(diào)用創(chuàng)建，該方法接受三個(gè)參數(shù)：
包含字段的對象的類(在本例中為 MyObject)
將得到原子更新的對象的類(在本例中是 Book)
將經(jīng)過原子更新的字段的名稱
這里真正的價(jià)值在于，getWhatImReading 方法未經(jīng)任何形式的同步便被執(zhí)行，而 setWhatImReading 是作為一個(gè)原子操作執(zhí)行的。
清單 4 展示如何使用 setWhatImReading() 方法并斷定值的變動是正確的：
清單 4. 演習(xí)原子更新的測試用例
- package com.geeckap.atomicexample;
- import org.junit.Assert;
- import org.junit.Before;
- import org.junit.Test;
- public class AtomicExampleTest
- {
- private MyObject obj;
- @Before
- public void setUp()
- {
- obj = new MyObject();
- obj.setWhatImReading( new Book( "Java 2 From Scratch" ) );
- }
- @Test
- public void testUpdate()
- {
- obj.setWhatImReading( new Book(
- "Pro Java EE 5 Performance Management and Optimization" ) );
- Assert.assertEquals( "Incorrect book name",
- "Pro Java EE 5 Performance Management and Optimization",
- obj.getWhatImReading().getName() );
- }
- }
結(jié)束語
多線程編程永遠(yuǎn)充滿了挑戰(zhàn)，但是隨著 Java 平臺的演變，它獲得了簡化一些多線程編程任務(wù)的支持。在本文中，我討論了關(guān)于在 Java 平臺上編寫多線程應(yīng)用程序您可能不知道的 5 件事，包括同步化方法與同步化代碼塊之間的不同，為每個(gè)線程存儲運(yùn)用 ThreadLocal 變量的價(jià)值，被廣泛誤解的 volatile 關(guān)鍵字(包括依賴于 volatile 滿足同步化需求的危險(xiǎn))，以及對原子類的錯(cuò)雜之處的一個(gè)簡要介紹。
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