Java多线程同步教程－－BusyFlag或Lock (上)
Java语言内置了synchronized关键字用于对多线程进行同步，大大方便了Java中多线程程序的编写。但是仅仅使用synchronized关键字还不能满足对多线程进行同步的所有需要。大家知道，synchronized仅仅能够对方法或者代码块进行同步，如果我们一个应用需要跨越多个方法进行同步，synchroinzed就不能胜任了。在C++中有很多同步机制，比如信号量、互斥体、临届区等。在Java中也可以在synchronized语言特性的基础上，在更高层次构建这样的同步工具，以方便我们的使用。
当前，广为使用的是由Doug Lea编写的一个Java中同步的工具包，可以在这儿了解更多这个包的详细情况：
http://gee.cs.oswego.edu/dl/classes/EDU/oswego/cs/dl/util/concurrent/intro.html
该工具包已经作为JSR166正处于JCP的控制下，即将作为JDK1.5的正式组成部分。本文并不打算详细剖析这个工具包，而是对多种同步机制的一个介绍，同时给出这类同步机制的实例实现，这并不是工业级的实现。但其中会参考Doug Lea的这个同步包中的工业级实现的一些代码片断。
本例中还沿用上篇中的Account类，不过我们这儿编写一个新的ATM类来模拟自动提款机，通过一个ATMTester的类，生成10个ATM线程，同时对John账户进行查询、提款和存款操作。Account类做了一些改动，以便适应本篇的需要：
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
class Account {
String name;
//float amount;
//使用一个Map模拟持久存储
static Map storage = new HashMap();
static {
storage.put("John", new Float(1000.0f));
storage.put("Mike", new Float(800.0f));
}
public Account(String name) {
//System.out.println("new account:" + name);
this.name = name;
//this.amount = ((Float)storage.get(name)).floatValue();
}
public synchronized void deposit(float amt) {
float amount = ((Float)storage.get(name)).floatValue();
storage.put(name, new Float(amount + amt));
}
public synchronized void withdraw(float amt) throws InsufficientBalanceException {
float amount = ((Float)storage.get(name)).floatValue();
if (amount >= amt)
amount -= amt;
else
throw new InsufficientBalanceException();
storage.put(name, new Float(amount));
}
public float getBalance() {
float amount = ((Float)storage.get(name)).floatValue();
return amount;
}
}
在新的Account类中，我们采用一个HashMap来存储账户信息。Account由ATM类通过login登录后使用：
public class ATM {
Account acc;
//作为演示，省略了密码验证
public boolean login(String name) {
if (acc != null)
throw new IllegalArgumentException("Already logged in!");
acc = new Account(name);
return true;
}
public void deposit(float amt) {
acc.deposit(amt);
}
public void withdraw(float amt) throws InsufficientBalanceException {
acc.withdraw(amt);
}
public float getBalance() {
return acc.getBalance();
}
public void logout () {
acc = null;
}
}
下面是ATMTester，在ATMTester中首先生成了10个ATM实例，然后启动10个线程，同时登录John的账户，先查询余额，然后，再提取余额的80％，然后再存入等额的款（以维持最终的余额的不变）。按照我们的预想，应该不会发生金额不足的问题。首先看代码：
public class ATMTester {
private static final int NUM_OF_ATM = 10;
public static void main(String[] args) {
ATMTester tester = new ATMTester();
final Thread thread[] = new Thread[NUM_OF_ATM];
final ATM atm[] = new ATM[NUM_OF_ATM];
for (int i=0; i
thread[i] = new Thread(tester.new Runner(atm[i]));
thread[i].start();
}
}
class Runner implements Runnable {
ATM atm;
Runner(ATM atm) {
this.atm = atm;
}
public void run() {
atm.login("John");
//查询余额
float bal = atm.getBalance();
try {
Thread.sleep(1); //模拟人从查询到取款之间的间隔
} catch (InterruptedException e) {
// ignore it
}
try {
System.out.println("Your balance is:" + bal);
System.out.println("withdraw:" + bal * 0.8f);
atm.withdraw(bal * 0.8f);
System.out.println("deposit:" + bal * 0.8f);
atm.deposit(bal * 0.8f);
} catch (InsufficientBalanceException e1) {
System.out.println("余额不足！");
} finally {
atm.logout();
}
}
}
}
运行ATMTester，结果如下（每次运行结果都有所差异）：
Your balance is:1000.0
withdraw:800.0
deposit:800.0
Your balance is:1000.0
Your balance is:1000.0
withdraw:800.0
withdraw:800.0
余额不足！
Your balance is:200.0
Your balance is:200.0
Your balance is:200.0
余额不足！
Your balance is:200.0
Your balance is:200.0
Your balance is:200.0
Your balance is:200.0
withdraw:160.0
withdraw:160.0
withdraw:160.0
withdraw:160.0
withdraw:160.0
withdraw:160.0
withdraw:160.0
deposit:160.0
余额不足！
余额不足！
余额不足！
余额不足！
余额不足！
余额不足！
为什么会出现这样的情况？因为我们这儿是多个ATM同时对同一账户进行操作，比如一个ATM查询出了余额为1000，第二个ATM也查询出了余额1000，然后两者都期望提取出800，那么只有第1个用户能够成功提出，因为在第1个提出800后，账户真实的余额就只有200了，而第二个用户仍认为余额为1000。这个问题是由于多个ATM同时对同一个账户进行操作所不可避免产生的后果。要解决这个问题，就必须限制同一个账户在某一时刻，只能由一个ATM进行操作。如何才能做到这一点？直接通过synchronized关键字可以吗？非常遗憾！因为我们现在需要对整个Account的多个方法进行同步，这是跨越多个方法的，而synchronized仅能对方法或者代码块进行同步。在下一篇我们将通过编写一个锁对象达到这个目的。
我们首先开发一个BusyFlag的类，类似于C++中的Simaphore。
public class BusyFlag {
protected Thread busyflag = null;
protected int busycount = 0;
public synchronized void getBusyFlag() {
while (tryGetBusyFlag() == false) {
try {
wait();
} catch (Exception e) {}
}
}
private synchronized boolean tryGetBusyFlag() {
if (busyflag == null) {
busyflag = Thread.currentThread();
busycount = 1;
return true;
}
if (busyflag == Thread.currentThread()) {
busycount++;
return true;
}
return false;
}
public synchronized void freeBusyFlag() {
if(getOwner()== Thread.currentThread()) {
busycount--;
if(busycount==0) {
busyflag = null;
notify();
}
}
}
public synchronized Thread getOwner() {
return busyflag;
}
}
注：参考Scott Oaks & Henry Wong《Java Thread》
BusyFlag有3个公开方法：getBusyFlag, freeBusyFlag, getOwner，分别用于获取忙标志、释放忙标志和获取当前占用忙标志的线程。使用这个BusyFlag也非常地简单，只需要在需要锁定的地方，调用BusyFlag的getBusyFlag()，在对锁定的资源使用完毕时，再调用改BusyFlag的freeBusyFlag()即可。下面我们开始改造上篇中的Account和ATM类，并应用BusyFlag工具类使得同时只有一个线程能够访问同一个账户的目标得以实现。首先，要改造Account类，在Account中内置了一个BusyFlag对象，并通过此标志对象对Account进行锁定和解锁：
import java.util.Collections;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
class Account {
String name;
//float amount;
BusyFlag flag = new BusyFlag();
//使用一个Map模拟持久存储
static Map storage = new HashMap();
static {
storage.put("John", new Float(1000.0f));
storage.put("Mike", new Float(800.0f));
}
static Map accounts = Collections.synchronizedMap(new HashMap());
private Account(String name) {
this.name = name;
//this.amount = ((Float)storage.get(name)).floatValue();
}
public synchronized static Account getAccount (String name) {
if (accounts.get(name) == null)
accounts.put(name, new Account(name));
return (Account) accounts.get(name);
}
public synchronized void deposit(float amt) {
float amount = ((Float)storage.get(name)).floatValue();
storage.put(name, new Float(amount + amt));
}
public synchronized void withdraw(float amt) throws InsufficientBalanceException {
float amount = ((Float)storage.get(name)).floatValue();
if (amount >= amt)
amount -= amt;
else
throw new InsufficientBalanceException();
storage.put(name, new Float(amount));
}
public float getBalance() {
float amount = ((Float)storage.get(name)).floatValue();
return amount;
}
public void lock() {
flag.getBusyFlag();
}
public void unlock() {
flag.freeBusyFlag();
}
}
新的Account提供了两个用于锁定的方法：lock()和unlock()，供Account对象的客户端在需要时锁定Account和解锁Account，Account通过委托给BusyFlag来提供这个机制。另外，大家也发现了，新的Account中提供了对Account对象的缓存，同时去除了public的构造方法，改为使用一个静态工厂方法供用户获取Account的实例，这样做也是有必要的，因为我们希望所有的ATM机同时只能有一个能够对同一个Account进行操作，我们在Account上的锁定是对一个特定Account对象进行加锁，如果多个ATM同时实例化多个同一个user的Account对象，那么仍然可以同时操作同一个账户。所以，要使用这种机制就必须保证Account对象在系统中的唯一性，所以，这儿使用一个Account的缓存，并将Account的构造方法变为私有的。你也可以说，通过在Account类锁上进行同步，即将Account中的BusyFlag对象声明为static的，但这样就使同时只能有一台ATM机进行操作了。这样，在一台ATM机在操作时，全市其它的所有的ATM机都必须等待。
另外必须注意的一点是：Account中的getAccount()方法必须同步，否则，将有可能生成多个Account对象，因为可能多个线程同时到达这个方法，并监测到accounts中没有“John”的Account实例，从而实例化多个John的Account实例。s
ATM类只需作少量改动，在login方法中锁定Account，在logout方法中解锁：
public class ATM {
Account acc;
//作为演示，省略了密码验证
public synchronized boolean login(String name) {
if (acc != null)
throw new IllegalArgumentException("Already logged in!");
acc = Account.getAccount(name);
acc.lock();
return true;
}
public void deposit(float amt) {
acc.deposit(amt);
}
public void withdraw(float amt) throws InsufficientBalanceException {
acc.withdraw(amt);
}
public float getBalance() {
return acc.getBalance();
}
public synchronized void logout () {
acc.unlock();
acc = null;
}
}
ATMTester类不需要做任何修改即可同样运行，同时保证同一个Account同时只能由一个ATM进行操作。解决了上篇提到的多个ATM同时对同一个Account进行操作造成的问题。
在最新的Doug Lea的util.concurrent工具包中（现处于JSR166）提供了类似的并发实用类：ReentrantLock，它实现了java .util.concurrent.locks.Lock接口（将在JDK1.5中发布），它的作用也类似于我们这儿的BusyFlag，实现机制、使用方法也相似。但这是一个工业强度的可重入锁的实现类。在ReentrantLock的API文档中有它的使用示例：
Lock l = ...;
l.lock();
try {
// access the resource protected by this lock
} finally {
l.unlock();
}
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