Java多线程设计模式研究.pdf

《Java多线程设计模式研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《Java多线程设计模式研究.pdf（4页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、2 0 0 6 年第 1 1 期 计算机与现代化 J I S U A N J I Y U X I A N D A 珊U A 总第 1 3 5 期 文章编号：1 0 0 6-2 4 7 5(2 0 0 6)1 1 (D)2-0 3 J a v a 多线程设计模式研究 崔立剑，吴平(中国农业大学信息与电气工程学院，北京1 0 0 0 8 3)摘要：针对 J a v a多线程并发程序设计，归类和总结了不同功能的 J a v a 多线程设计模式，结合实例分析比较 了这些设计模 式，这有助于解决实际编程中的并发问题，开发出高质量的J a v a 多线程程序。关键词：多线；s y n c h r o n

2、i z e d；读 写锁；生产者 消费者 中图分类号：T P 3 1 1 5 2 文献标识码：A S t u d y o n J a v a Mu l t i-t h r e a d De s i g n P a t t e r n s C U I L i-j i a n，WU P i n g (C o l l e g e o f I n f o r m a t i o n a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g，C h i n a a g r l e d t u _,a l U niv e r s i t y，B e i j i ng

3、1 0 0 0 8 3，C hi na)b s a c t：I n o r d e rt o d e v e l o p J a v a c o n c u r r e n t p r o g r a ms J a v amu l t i t h r e a d d e s i g n p a t t e r n s o f d i ff e r e n t f u n c t i o n s a re c l a s s i f i e d a n d$u n l ma ri z e dT h e s e p a t t e r n s a r e a I l a l y z e d a n

4、 d c o mp a r e d b，r e x a mp l e s，wh i c h c a n b e u s e f ul f o r s o l v i ng con c u r r e n t p r o b l e ms o f J a v a p r o g r mn mi n g and d e v e l o p i n g J a v a mult i t h r e a d p r o g r a ms of hig h q u ty Ke y wo r d s：multi t h r e a d；s y n c h r o niz e d；r e a d-w r i

5、 t e l o c k；p r o d u c e r-c o n s u me r 0 引 言 近年来，随着多处理机体系结构的演变和分布式 并行系统的发展，并发多任务的程序设计技术已愈来 愈显示其重要性，多线程设计模式在这些技术的发展 中 起到重要作用，一方面，出现了A d a、J a v a、C#等支持 并发多任务的程序设计语言；另一方面，许多操作系统 都采用多线程结构，提供了内核级的多线程支持。J a v a 语言 J、，M(J a v a 虚拟机)提供完全意义上的多 线程支持，其内置的语言级多线程控制可以保证多个 并发例程通过多线程编程实现，从语言级上提供各个 线程间协调工作的调度能

6、力，降低并发程序设计的难 度。但是在程序中，所有线程共用相同的内存空间，两 个或多个线程可能同时访问同一变量或运行同一对象 的同一方法，这将导致数据访问冲突以及数据前后不 一致，同时线程之间不恰当的同步会导致死锁。这就 需要对不同功能的多线程程序进行归类，总结各种设 计模式，针对这些模式来避免上述现象的发生。本文针对以上问题的出现，以Win d o w s 2 0 0 0 为宿 主平台，J D K(I 4)为 J a v a 开发环境和运行系统，分析 与探讨 J a v a 多线程程序功能设计，归类 J a v a 多线程 设计模式以及编程策略。1 多个线程共享实例 在多线程程序设计中，通常都

7、会有多个线程共享 处理数据或事件。如果这些线程无秩序地并发处理 共享数据，结果将会出现错误，甚至死锁。临界资源 就是程序中不能被多个线程并发执行的代码段，可以 是方法，也可以是语句块，多个线程只能互斥地进入 临界资源，在任一时刻，只允许一个线程能真正地进 入临界资源，而其它线程必须排队等待。J a v a 采用 s y n c h r o n i z e d 关键字来定义临界资源。以下针对此类 型下不同功能的程序设计模式进行讨论。1 1 实例状态不变 S y n c h r o n iz e d 的使用是受 限制的，并非 s ync h r o n i z e d 使用得越多越好。S ync

8、h r o n i ze d 语句会影响程序 收稿 日期：2 0 o 5 1 2 1 2 作者简介：崔立剑(1 9 8 2-)，男，山东东阿人，中国农业大学信息与电气工程学院硕士研究生，研究方向：计算机应用技术；吴平(1 9 5 3 )，女，教授，研究方向：专家系统与软件工程。维普资讯 http:/ 2 0 0 6年第 l 1 期 崔立剑等：J a v a多线程设计模式研究 9 3 的执行性能。如果实例的状态不会改变的话，即该类 的字段值无法直接更改或没有用来更改字段值的方 法时，这种类称为 I m m u ta b l e 类。在这种情况下，尽量 不用 s y n c h r o n i z

9、 e d方法建立临界资源管理线程，而改 用 I m m u t a b l e 模式进行线程调度。下面以 s y n c h r o n iz e d(t h i s)为例进行分析，示例程 序中主要有两个基本方法：s ync 和 n o m ync。这两个 方法全部基于 I m m u t a b l e 类构建，功能完全相同，语句 也大致相同，只是在 s ync 方法中增加了 s ync h r o n i z e d (th is)语句。在 m a in()方法中，分别对 s ync 和 n o mync 执行相同次数的调用，从而对它们各自消耗的时间进 行比较。如图 1 所示。图 1 为

10、M a in ia v a 的执行结果。从图 1 中可以看 出，s ync 方法的执行时间显然比相应的 n o m ync 方法 的执行时间长。因为在程序运行时，s ync h r o n i z e d 语句 被编译成 m o ni t o r e n te r 和 m o n i to r e x it 等多条语句，无论 操作是正常结束还是异常结束，都要有上锁(1 o c k)和 解锁(u n l o c k)的过程，所以执行时间会有所延长。啊圈曩啜嘲嘲盈一=：J 一 ；：鞭 盘：藉 黎 tg帅 h j 辨 chH ie 嚣 穰 l 苦幂 薹 嚣 鬻瓣 e h 辨t h 脚h l “稀：霉

11、辨t h e h 脚 l 万豫：臻累 耗 碍 l 们。斡：、￥w，图 1 M a i n i a v a 执行结果 1 2 实例状态改变 当实例的状态因为改变而使线程运行不合适时，譬如出现死锁状态，就要求一部分线程进行等待，直 到死锁解除，也就是“适当的状态”后，这部分线程才 允许执行。在这里，以“警戒条件”来表示实例中的“适当的状态”。第一种方法，在进行实例改变操作前，检查警戒条件是否 被满足。如果警戒条件不成立，则要求线程等待直到警戒条 件成立为止。在 J a v a 程序设计中，检验警戒条件时使用 w h i l e 语句，线程等待则使用 w a i t 方法。并使用 n o n o t

12、 lf y A l l 通知 警戒条件的改变。第二种方法，首先也要在进行实例改变操作前，检查警戒 条件是否被满足。只有在警戒条件成立时，才会继续执行；如 果警戒条件不成立，则直接中断执行，立即退出。J a v a 语 言 中，检验警戒条件使用 i f 语句。当要中断时，可使用 r e t l l n l 退 出方法，或使用 t h r o w抛出异常。两种方法中，检验、修改警戒条件时，都使用到 s ync h r o n iz e d 语句。1 3 读 写锁模式(R e a d Wr i t e L o c k)在多线程共用一个实例时，也会出现参考实例状 态的线程(R e a d 线程)和改变

13、实例状态的线程(W ri t e 线程)，这就是读 写锁模式。实现过程是，将 R e a d 线程与 W ri te 线程分开，加 入R e a d W r i t e I_o c k 参与者，以提供两种不同的锁定。R e a d Wr i t e I_o c k 参与者会对 R e a d 线程和 W ri t e 线程进 行互斥控制。R e a d Wr i t e l_o c k 参与者进行共享互斥的 操作时，用到实例状态改变的设计模式。当完全没有 W ri t e 线程时，就使用实例状态不变的设计模式。2 线程之间数据传输 这里针对的设计模式是解决经典的生产者 消费 者问题(P r o

14、 d u c e r-con s u m e r)。P r o d u c e r 是“生产者”，指生产数据的线程。C o n s u m e r 是“消费者”，指使用数据的线程。生产者必须 将数据安全地交给消费者，但当生产者与消费者在不 同线程上运行时，两者处理速度差将是最大的问题。例如当消费者要取数据时生产者还没建立出线程，或 是生产者建立出数据时消费者的状态还没办法接受 数据等等。在生产者和消费者之间加入一个“桥梁”(C h a rt n e 1)，以这个桥梁来缓冲生产者和消费者之间的处理 速度差。C h a n n e l 会从 P r o d u c e r 处接收数据，并保管起来。

15、并应 C o n s u m e r 的要求，将数据传送出去。为了确保 安全性，P ro d u c e r 与 C o n s ume r 要对访 问进行共享排 斥。当 P ro d u c e r 将数据传给 C h a n n e l 时，若 Cha n n d的 状态无法接受数据，这时 P r o d u c e r 会在 C h a n n e l 的状 态变成可以接受之前，保持等待状态。当 Con s u m e r 从 C h a n n e l 获取数据的时候，若 C h a n n e l 没有数据可以 给Con s u m e r，这时 Con s u m e r 在 C

16、h a n n e l 可以传送数据 之前，保持等待状态。当程序存在有多个 P r o d u c e r 与 Con s u m e r 时，为了使处理不互相干涉，C h a n n e l 也要进 行共享互斥。所以C h a n n e l 介于P r o d u c e r、Con s u m e r 之 间，起到传递数据的作用。图2 是生产者 消费者模式的类图。图 2 生产者 消费者类图 3 线程调用实例 在多线程设计中，通常会有多个线程调用一个实 维普资讯 http:/ 计算机与现代化 2 0 0 6年第 1 1 期 例，来实现所需要的功能和结果。这就是线程调用实 例的设计模式，可以

17、采用三种设计方法实现线程调用。第一种设计方法。每次用户调用该实例时，都启动新的线 程，并且将需要进行的工作。交给这个新的线程去执行，这样用 户线程可以继续执行下一个操作。能够有效地提高程序的响应 速度。缺点就是在每次提出调用实例请求后。启动线程会花费 很长时间。第二种设计方法。是弥补第一种方法中启动线程耗费时间 而建立的。在用户提出调用实例之前，程序先启动一些用来进 行处理的线程，并将请求的实例传给这些线程。这样就不需要 每次都重新启动新的线程。为了比较这两种方法的差别，建立程序来执行同样的实 例(同时启动3个线程)。在相同的处理时间内(3 o秒)，比较两 种设计方法之间线程运行次数。如图 3

18、、图4 所示。第一种设计方法 第一种设计方法 第一种设计方法 第一种设计方法 第一种设计方法 第一种设计方法 第一种设计方法 第一种设计方法 第一种设计方法 在 2 9 8 2 8毫秒时执行第 在 2 9 8 2 8毫秒时执行第 在 2 粥2 8毫秒时执行第 在 2 9 8 2 8毫秒时执行第 在 2 9 8 2 8毫秒时执行第 在 2 9 8 4 4毫秒时执行第 在 2 9 8 4 4毫秒时执行第 在 2 9 8 4 4毫秒时执行第 在 2 9 8 4 4毫秒时执行第 1 5 9 9项工作 1 6 o 1 项 工作 1 6 0 3 项工作 1 6 Q 5 项工作 1 6 0 r 7 项 工作

19、 1 6 0 9 项工作 1 6 1 1 项工作 1 6 1 3 项工作 1 6 1 5 项 工作 D：、J A v A 图 3 第一种设计方法执行结果 第二种设计方法 第二种设计方法 第二种设计方法 第二种设计方法 第二种设计方法 第二种设计方法 第二种设计方法 第二种设计方法 D t j 在 2 9 9 5 3 毫秒时执行第 7 0 8 4 9 项工作 在 2 9 9 5 3毫秒时执行第 7 0 8 5 0 项工作 在 2 9 9 5 3毫秒时执行第 7 0 8 5 1 项工作 在 2 9 9 5 3毫秒时执行第7 0 8 4 3 项工作 在 2 9 9 5 3毫秒时执行第 7 0 8 4

20、 5 项工作 在 2 9 9 5 3毫秒时执行第 7 0 8 4 6项工作 在 2 9 9 5 3毫秒时执行第 7 085 2 项工作 在 2 9 9 5 3毫秒时执行第7 0 8 4 4项工作 图 4 第二种设计方法执行结果 从执行结果中可看出，第二种方法的执行效率比第一种 方法高。第三种设计方法，假设有一个实例方法执行起来需要一 些时间，为了提高响应时间，可以设计成不让执行该方法的线 程等待执行结果，而获取一张替代 的表示保证在一定时间内 完成的“提货单”。因为获取提货单不需要消耗时间，在这里。这个“提货单”就是 F u t u r e 参与者。获取 F u t u r e 参与者的线程。

21、会在所有任务请求完成后，再去获取执行结果。如果已经有 执行结果，就可以马上拿到数据。如果执行结果还没准备好。则继续等待直到执行结果出现为止。实现方式是先建立一个与处理结果相同的 F u t u r e 参与者。在运行程序开始时，先把F u t u r e 参与者当作返回值返回。处理的 结果事后再设置给F u t u r e 参与者。经过运行，用户就可以在适当 的时机。通过 F u t u r e 参与者，获取(等待)处理的 结果。，F u t u r e j a v a ，c l a s s F u t u r e p ri v a t e R e a l Da ta t t l D uta=

22、n u l l；p r i v a t e b o o l e a n r e a d y f a l s e；p u b l i c s y n c h r o n i z e d v o i d R e a l D a t a(R e a l D a t a r e a 1D a t a)i f(r e a d y)r e t u r n；中断 t h i s r e a l D a t a=r e a l D a t a|赋予真实数据 t h i s r e a d y=t r u e；n o y A U()；唤醒所有线程 p ubl i c s y n c h r o n i z e

23、d S t r i C o n t e n t()获得执行结果 w h i l e(!r e a d y)t r y 异常处理 w a i t()；e a t e h(I n t e r r u p t e d E x c e p t i o n e)l t u l l r e a l D a t a C o n t e n t()；赋予执行结果 ，V i r t u a l D a t a j a v a ，p l i e i n t e d a c e V m u a 虚拟数据，也蠡 是 提觯”p ubli c a b s t r a c t S t r i n g Con t e n t

24、()；定义抽象内容 F u tu r e i a v a 获得结果后可通过该接口传输 4 线程模式扩展 假定在单线程环境下运行的对象，在不修改使用 端的线程，同时也不能改变对象接口(A P I)前提下，需 要将这个对象放在多线程环境下执行。使用 j a v a 1 a n g T h r c a d L o c a l 类可以达到此 目的。i a v a ta n g 1 h _,lL o c a l 的实例可以想象成保管箱间，管理着多个对象。3 h le a d L o 类包含s e t 和斛 方法。T h r e a d Ia l 类的 s e t 方法，可以将参数所指定的 实例。存放到调

25、用 s e t 方法的线程所对应的存储空间。在 s e t 方法 中，会检查当前线程(即 T h r e a d c u r r e n t T h r e a d()的值)。自动以这个值作为键值存放实例。T h d【D c a l 类的 g e c 方法，可以取得调用 g e c 方法 线程所对应的实例。S e t 方法中的实例结果，就是现 在 t 方法中的返回值。如果从未使用过 s e t 方法，就会返回n u l l 值。图5 是该特殊情况下的程序设计 模式结构图。图5 特殊模式结构图(下转第 9 8页)维普资讯 http:/ 9 8 计算机与现代化 2 0 0 6年第 l 1 期 M

26、e r 砒 这样的方法调用，则根据方法名用二分法去查找二维数组，找到对应的方法地址，然后直接调用即可。如果是“E v e n t”关键 字，则把它添加到个事件的 链表中，链表的节点记录以下信息：当前的二进制文件的指针，事件的名称和类型。当引擎把二进制文件读完一遍后，随即进入一个无限 循环，每隔一段时间去调用键盘库函数，如果有键值，则根据 当前的屏幕号和键值，去事件链表中查找是否有匹配的事件 处理代码。如能找到，则执行相应事件的处理代码；如找不 到，则把键值丢弃即可。通过串口连线，把这个二进制脚本从 P C 机上传送到嵌 入式平台上，由 u C l l n u x上的引擎解释执行。当脚本在 P

27、C上 模拟执行都正确时，在嵌入式平台上也就能正常运行了。2 3 交互式开发脚本程序 G U I 开发时最好能做到交互式开发，达到“所见 即所得”的效果，因此我们也可以仿照 V is u a l B a s i c 开 发环境中的可视化设计器，做一个简单的界面设计 器，让用户在设计器里摆放菜单和文本输入框等控 件，定义各个响应事件的脚本，然后综合起来自动生 成脚本文件。因为脚本执行引擎在 P C上就能工作，所以设计的脚本程序不用下载到手持设备里调试，在 P C上马上就能看到运行结果，等 P C 上的运行结果都 正确后再下载到手持设备里，这样不但方便了用户，而且提高了工作效率。3 结束语 嵌入式操

28、作系统的诞生，使嵌入式系统的开发进 入了一个新的阶段，与传统的单片机开发模式有一定 的区别。本文基于 u C li n u x 操作系统，介绍实现一个 手持设备的G U I 应用系统，由点到面叙述了系统的设 计要点。由于系统层次结构比较清晰，同时引入脚本 执行引擎，让用户使用脚本开发应用程序，符合现代 编程的思维模式，所以这个应用系统可以作为一个通 用架构，对于在嵌入式设备中，特别是基于嵌入式 L in u x 的开发应用有重要的参考意义。参考文献：1 邹思轶 嵌入式 L i n u x 设计与应用 M 北京：清华大学 出版社，2 0 0 2 2 J e a n J L a b r o s s

29、 e 嵌入式系统构件 M 北京：机械工业 出版社，2 0 0 2 3 刘轶，韦宏利，伍卫国 用于手持设备的嵌入式计算机 系统设计 J 微电子学与计算机，2 O O 4，2 1(1 0)4 李平，母晓风 一种关于实时嵌入式系统 G U I 解决方案 J 长春理工大学学报，2 0 0 5，2 8(1)5 吴峰，王自 强 基于 F r a m e B u ff e r 的嵌入式 G U I 系统设计 J 计算机应用与软件，2 0 0 5，2 2(3)6 韩会敏，王忠仁，邓文红 用于手持设备人机交互应用 的架构设计与开发框架 J 中国民航飞行学院学报，2 0 0 5，1 6(4)(上接第9 4页)程序

30、运行结束后，都要中止线程的执 行。多线程设计中的终止线程运行模式是：首先送出 “终止请求”，此时这个线程并不会马上结束，而会进 行必要的刷新工作。此时，线程仍然运行，但不是平 常的操作，而是进行终止处理，直到终止处理结束后，才真正结束线程。以下是该过程的代码段：p u b l i c fi n a l v o idri m()t r y w h i l e(!s h u t d o w n R e q u e s t e d)未终止请求 Wo r k()；线程执行 c a t c h(ht e r mp t e d E x c e p t i o n e)处理异常 f in a l l y s

31、 h u t D o w n()；终止运行 这种终止线程执行的方式，能够很好地结束线程 操作。其优势表现在：(1)安全性：即使收到终止请求，也不会马上结束线程，而 是提出表示收到终止请求的 s h u t d o w n R e q u e s t e d 标识。(2)生命性：当收到终止请求时，会中断可以中断的 w a i t 方法。(3)响应性：当收到终止请求后，会中断可以中断的 s l e e p 方法，尽快前进到终止处理。5 结束语 本文对 J a v a多线程设计模式进行归类研究，总 结各种模式解决方法。在实际的软件开发中，应用这 些模式进行程序设计，能够避免数据不一致性、数据 冲突、

32、死锁等并发问题，缩短并行任务的执行时间，提 高运行效率，得到高质量的 J a v a 多线程并发程序。参考文献：1 日 结城浩 J a v a 多线程设计模式 M 博硕文化译 北 京：中国铁道出版社，2 0 0 5 3 2 6 3 4 0 2 徐绍忠，王乘，刘小虎 J a v a 并发机制研究 J 计算机 工程，2 0 0 2(4)3 美 H w a n g K A d v a n c e d C o m p u t e r A r c h i t e c t u r e P a r a l l e l i s m S c a l a b i l i t y P r o g r m n m i l i t y M M c G r a w-H i l l，1 9 9 5 4 E c k e l B T h i n k i n g i n J a v a(2 E d i t i o n)M P r e n t i c e-H a l l，2 00 0 维普资讯 http:/