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java中的并發(fā)及其安全性

所有重要的操作系統(tǒng)都支持進(jìn)程的概念 —— 獨(dú)立運(yùn)行的程序，在某種程度上相互隔離。

線程有時(shí)稱為 輕量級(jí)進(jìn)程。與進(jìn)程一樣，它們擁有通過程序運(yùn)行的獨(dú)立的并發(fā)路徑，

并且每個(gè)線程都有自己的程序計(jì)數(shù)器，稱為堆棧和本地變量。然而，線程存在于進(jìn)程中，

它們與同一進(jìn)程內(nèi)的其他線程共享內(nèi)存、文件句柄以及每進(jìn)程狀態(tài)。

在 Java 程序中存在很多理由使用線程，并且不管開發(fā)人員知道線程與否，幾乎每個(gè)

Java 應(yīng)用程序都使用線程。許多 J2SE 和 J2EE 工具可以創(chuàng)建線程，如 RMI、Servlet、Enterprise JavaBeans

 組件和 Swing GUI 工具包。

AWT 和 Swing
這些 GUI 工具包創(chuàng)建了稱為時(shí)間線程的后臺(tái)線程，將從該線程調(diào)用通過 GUI 組件注冊(cè)的

監(jiān)聽器。因此，實(shí)現(xiàn)這些監(jiān)聽器的類必須是線程安全的。

TimerTask
JDK 1.3 中引入的 TimerTask 工具允許稍后執(zhí)行任務(wù)或計(jì)劃定期執(zhí)行任務(wù)。在 Timer

線程中執(zhí)行 TimerTask 事件，這意味著作為 TimerTask 執(zhí)行的任務(wù)必須是線程安全的。

Servlet 和 JavaServer Page 技術(shù)
Servlet 容器可以創(chuàng)建多個(gè)線程，在多個(gè)線程中同時(shí)調(diào)用給定 servlet，從而進(jìn)行多個(gè)請(qǐng)求。

因此 servlet 類必須是線程安全的。

RMI
遠(yuǎn)程方法調(diào)用（remote method invocation，RMI）工具允許調(diào)用其他 JVM 中運(yùn)行的

操作。實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)象最普遍的方法是擴(kuò)展 UnicastRemoteObject。例示 UnicastRemoteObject 時(shí)，它是通過 RMI 調(diào)度器注冊(cè)的，該調(diào)度器可能創(chuàng)建一個(gè)或

多個(gè)線程，將在這些線程中執(zhí)行遠(yuǎn)程方法。因此，遠(yuǎn)程類必須是線程安全的。

正如所看到的，即使應(yīng)用程序沒有明確創(chuàng)建線程，也會(huì)發(fā)生許多可能會(huì)從其他線程調(diào)用類

的情況。幸運(yùn)的是，java.util.concurrent 中的類可以大大簡(jiǎn)化編寫線程安全類

的任務(wù)。

下列 servlet 看起來像無害的留言板 servlet，它保存每個(gè)來訪者的姓名。然而，該

servlet 不是線程安全的，而這個(gè) servlet 應(yīng)該是線程安全的。問題在于它使用

HashSet 存儲(chǔ)來訪者的姓名，HashSet 不是線程安全的類。

當(dāng)我們說這個(gè) servlet 不是線程安全的時(shí)，是說它所造成的破壞不僅僅是丟失留言板

輸入。在最壞的情況下，留言板數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都可能被破壞并且無法恢復(fù)。

public class UnsafeGuestbookServlet extends HttpServlet {
    
    private Set visitorSet = new HashSet();

    protected void doGet(HttpServletRequest httpServletRequest, 
             HttpServletResponse httpServletResponse) 

throws ServletException, IOException {
     String visitorName = httpServletRequest.getParameter("NAME");
        if (visitorName != null)
            visitorSet.add(visitorName);
    }
}

通過將 visitorSet 的定義更改為下列代碼，可以使該類變?yōu)榫€程安全的： 

 private Set visitorSet = Collections.synchronizedSet(new HashSet());
JDK 1.2 中引入的 Collection 框架是一種表示對(duì)象集合的高度靈活的框架，

它使用

基本接口 List、Set 和 Map。通過 JDK 提供每個(gè)集合的多次實(shí)現(xiàn)

（HashMap、Hashtable、TreeMap、WeakHashMap、HashSet、TreeSet、

Vector、ArrayList、LinkedList 等等）。其中一些集合已經(jīng)是線程安

全的（Hashtable 和 Vector），通過同步的封裝工廠

（Collections.synchronizedMap()、synchronizedList() 

和 synchronizedSet()），其余的集合均可表現(xiàn)為線程安全的。

線程創(chuàng)建


線程最普遍的一個(gè)應(yīng)用程序是創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)線程，以執(zhí)行特定類型的任務(wù)。
Timer 類創(chuàng)建線
程來執(zhí)行 TimerTask 對(duì)象，Swing 創(chuàng)建線程來處理 UI 事件。在這兩種情況中，
在單獨(dú)線程
中執(zhí)行的任務(wù)都假定是短期的，這些線程是為了處理大量短期任務(wù)而存在的。 
在其中每種情況中，這些線程一般都有非常簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)： 

while (true) { 
  if (no tasks) 
    wait for a task; 
  execute the task;
}
通過例示從 Thread 獲得的對(duì)象并調(diào)用 Thread.start() 方法來創(chuàng)建線程。
可以用兩種方法創(chuàng)建線程：通過擴(kuò)展 Thread 和覆蓋 run() 方法，或者通過
實(shí)現(xiàn) Runnable 接口和使用 Thread(Runnable) 構(gòu)造函數(shù)： 

class WorkerThread extends Thread { 
  public void run() { /* do work */ }
}
Thread t = new WorkerThread();
t.start();
或者： 

Thread t = new Thread(new Runnable() { 
  public void run() { /* do work */ }
}
t.start();
如何不對(duì)任務(wù)進(jìn)行管理


大多數(shù)服務(wù)器應(yīng)用程序（如 Web 服務(wù)器、POP 服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器或文件
服務(wù)器）代表遠(yuǎn)程客戶機(jī)處理請(qǐng)求，這些客戶機(jī)通常使用 socket 連接到服務(wù)器。
對(duì)于每個(gè)請(qǐng)求，通常要進(jìn)行少量處理（獲得該文件的代碼塊，并將其發(fā)送回
 socket），但是可能會(huì)有大量（且不受限制）的客戶機(jī)請(qǐng)求服務(wù)。 
用于構(gòu)建服務(wù)器應(yīng)用程序的簡(jiǎn)單化模型會(huì)為每個(gè)請(qǐng)求創(chuàng)建新的線程。下列代碼段
實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的 Web 服務(wù)器，它接受端口 80 的 socket 連接，并創(chuàng)建新的線程來
處理請(qǐng)求。不幸的是，該代碼不是實(shí)現(xiàn) Web 服務(wù)器的好方法，因?yàn)樵谥刎?fù)載條
件下它將失敗，停止整臺(tái)服務(wù)器.
class UnreliableWebServer { 
  public static void main(String[] args) {
    ServerSocket socket = new ServerSocket(80);
      while (true) {
      final Socket connection = socket.accept();
      Runnable r = new Runnable() {
        public void run() {
          handleRequest(connection);
        }
      };
      // Don‘t do this!
      new Thread(r).start();
    }
  }
}
當(dāng)服務(wù)器被請(qǐng)求吞沒時(shí)，UnreliableWebServer 類不能很好地處理這種情況。
每次有請(qǐng)求時(shí)，就會(huì)創(chuàng)建新的類。根據(jù)操作系統(tǒng)和可用內(nèi)存，可以創(chuàng)建的線程數(shù)
是有限的。不幸的是，您通常不知道限制是多少 —— 只有當(dāng)應(yīng)用程序因?yàn)?
OutOfMemoryError 而崩潰時(shí)才發(fā)現(xiàn)。
使用線程池解決問題


為任務(wù)創(chuàng)建新的線程并不一定不好，但是如果創(chuàng)建任務(wù)的頻率高，而平均任務(wù)持
續(xù)時(shí)間低，我們可以看到每項(xiàng)任務(wù)創(chuàng)建一個(gè)新的線程將產(chǎn)生性能（如果負(fù)載不可
預(yù)知，還有穩(wěn)定性）問題。 如果不是每項(xiàng)任務(wù)創(chuàng)建一個(gè)新的線程，則服務(wù)器應(yīng)
用程序必須采取一些方法來限制一次可以處理的請(qǐng)求數(shù)。這意味著每次需要啟動(dòng)
新的任務(wù)時(shí)，它不能僅調(diào)用下列代碼。 

  new Thread(runnable).start()
管理一大組小任務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制是組合工作隊(duì)列和線程池。工作隊(duì)列就是要處理的
任務(wù)的隊(duì)列，前面描述的 Queue 類完全適合。線程池是線程的集合，每個(gè)線程
都提取公用工作隊(duì)列。當(dāng)一個(gè)工作線程完成任務(wù)處理后，它會(huì)返回隊(duì)列，查看是
否有其他任務(wù)需要處理。如果有，它會(huì)轉(zhuǎn)移到下一個(gè)任務(wù)，并開始處理。 
Executor 框架


java.util.concurrent 包中包含靈活的線程池實(shí)現(xiàn)，但是更重要的是，
它包含用于管理實(shí)現(xiàn) Runnable 的任務(wù)的執(zhí)行的整個(gè)框架。該框架稱為
 Executor 框架。 
Executor 接口相當(dāng)簡(jiǎn)單。它描述將運(yùn)行 Runnable 的對(duì)象： 

public interface Executor { 
  void execute(Runnable command);
}
任務(wù)運(yùn)行于哪個(gè)線程不是由該接口指定的，這取決于使用的 Executor 的實(shí)現(xiàn)。
它可以運(yùn)行于后臺(tái)線程，如 Swing 事件線程，或者運(yùn)行于線程池，或者調(diào)用
線程，或者新的線程，它甚至可以運(yùn)行于其他 JVM！通過同步的 Executor 
接口提交任務(wù)，從任務(wù)執(zhí)行策略中刪除任務(wù)提交。Executor 接口獨(dú)自關(guān)注任
務(wù)提交 —— 這是 Executor 實(shí)現(xiàn)的選擇，確定執(zhí)行策略。這使在部署時(shí)調(diào)整
執(zhí)行策略（隊(duì)列限制、池大小、優(yōu)先級(jí)排列等等）更加容易，更改的代碼最少。
Executor


  更可靠的 Web 服務(wù)器 —— 使用 Executor 
java.util.concurrent 包包含多個(gè) Executor 實(shí)現(xiàn)，每個(gè)實(shí)現(xiàn)都實(shí)現(xiàn)不
同的執(zhí)行策略。什么是執(zhí)行策略？執(zhí)行策略定義何時(shí)在哪個(gè)線程中運(yùn)行任務(wù)，
執(zhí)行任務(wù)可能消耗的資源級(jí)別（線程、內(nèi)存等等），以及如果執(zhí)行程序超載
該怎么辦。 執(zhí)行程序通常通過工廠方法例示，而不是通過構(gòu)造函數(shù)。Executors 
類包含用于構(gòu)造許多不同類型的 Executor 實(shí)現(xiàn)的靜態(tài)工廠方法：
Executors.newCachedThreadPool() 創(chuàng)建不限制大小線程池，但是當(dāng)以
前創(chuàng)建的線程可以使用時(shí)將重新使用那些線程。如果沒有現(xiàn)有線程可用，將創(chuàng)建新的線
程并將其添加到池中。使用不到 60 秒的線程將終止并從緩存中刪除。

Executors.newFixedThreadPool(int n) 創(chuàng)建線程池，其重新使用在不
受限制的隊(duì)列之外運(yùn)行的固定線程組。在關(guān)閉前，所有線程都會(huì)因?yàn)閳?zhí)行過程中的失敗
而終止，如果需要執(zhí)行后續(xù)任務(wù)，將會(huì)有新的線程來代替這些線程。

Executors.newSingleThreadExecutor() 創(chuàng)建 Executor，其使用在不受
限制的隊(duì)列之外運(yùn)行的單一工作線程，與 Swing 事件線程非常相似。保證順序執(zhí)行任務(wù)，
在任何給定時(shí)間，不會(huì)有多個(gè)任務(wù)處于活動(dòng)狀態(tài)。 
class ReliableWebServer { 
  Executor pool =
    Executors.newFixedThreadPool(7);
    public static void main(String[] args) {
    ServerSocket socket = new ServerSocket(80);
      while (true) {
      final Socket connection = socket.accept();
      Runnable r = new Runnable() {
        public void run() {
          handleRequest(connection);
        }
      };
      pool.execute(r);
    }
  }
}
定制 ThreadPoolExecutor


Executors 中的 newFixedThreadPool 和 newCachedThreadPool 工廠方法返回的 
Executor 是類 ThreadPoolExecutor 的實(shí)例，是高度可定制的。 
通過使用包含 ThreadFactory 變量的工廠方法或構(gòu)造函數(shù)的版本，可以定義池線程的創(chuàng)建。
ThreadFactory 是工廠對(duì)象，其構(gòu)造執(zhí)行程序要使用的新線程。使用定制的線程工廠，創(chuàng)建
的線程可以包含有用的線程名稱，并且這些線程是守護(hù)線程，屬于特定線程組或具有特定優(yōu)先級(jí)。 
下面是線程工廠的例子，它創(chuàng)建守護(hù)線程，而不是創(chuàng)建用戶線程： 

public class DaemonThreadFactory implements ThreadFactory {
    public Thread newThread(Runnable r) {
        Thread thread = new Thread(r);
        thread.setDaemon(true);
        return thread;
    }
}

 
java.util.concurrent 中其他類別的有用的類也是同步工具。這組類相互協(xié)作，
控制一個(gè)或多個(gè)線程的執(zhí)
行流。 
Semaphore、CyclicBarrier、CountdownLatch 和 Exchanger 類都是同步工具
的例子。
每個(gè)類都有線程可以調(diào)用的方法，方法是否被阻塞取決于正在使用的特定同步
工具的狀態(tài)和規(guī)則。