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Java Thread实现读写同步 (转)

原创 Java 作者:worldblog 时间:2007-12-14 09:48:13 0 删除 编辑
Java Thread实现读写同步 (转)[@more@]

Java Thread实现读写同步

(wang hailong)

本文给出一个例子,说明如何使用java thread,处理读写者同步的问题。XML:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:Office:office" />

文中的源代码能够编译运行。java thread.TestMain

本文可以和另一篇文章《Java Thread应该注意的问题》,进行比较阅读。

1.读写者同步问题

多个读者可以同时读取同一个缓冲区,但当有写者对缓冲区进行写操作时,具有排他性质,其他的读者都不能读取这个缓冲区,其他的写者也不能写这个缓冲区。

2.代码构成和思路

这个例子中包括四个类。

(1)读写资源类RWResource,包含了读写者的计数,共享资源,还有所有的同步代码。

(2)读者类RunnableReader。实现Runnable接口;进行读操作。

(3)写者类RunnableWriter。实现Runnable接口;进行写操作。

(4)测试类TestMain。生成并运行多个写线程和读线程,显示结果。

这个例子对共享资源进行“盒式封装”,把共享资源包含在一个“盒”内。并把所有的同步代码都集中在“盒”里面。读者类和写者类并不进行同步处理,只是申请资源,然后进行读写,读写完成之后,释放资源。

这种方法的优点是共享资源“盒”部分的代码直观易读,紧凑可控,读者类和写者类不用关心同步问题。缺点是共享资源“盒”规定了严格的调用顺序和调用规范,读者类和写者类必须严格遵守共享资源“盒”的调用规范,否则会造成线程死锁,或者资源操作冲突。

不过,即使由读者类和写者类来实现线程同步,如果不注意,也会造成线程死锁,或者资源操作冲突。这是线程的固有问题。:-)

下面给出这四个类的源代码和说明。

3.读写资源类RWResource

package thread;

import java.util.List;

import java.util.ArrayList;

/**

 * resource for reading and writing

 */

public class RWResource {

  /**

  * When readerNumber == 0, there is no one reading or writing.

  * When readerNumber > 0, readerNumber means number of readers.

  * When readerNumber < 0, it means that some writer is writing.

  */

  private int readerNumber = 0;

  /**

  * the shared resource for writing or reading

  */

  private List buffer = null;

  public RWResource() {

  buffer = new ArrayList(512);

  readerNumber = 0;

  }

  /**

  * get buffer for reading.

  * should be called before reading

  * @return the buffer

  */

  public synchronized List getBufferForReading(){

  // if some writer is writing, wait until no writer is writing

  while(readerNumber < 0){

  try{

  this.wait();

  }catch(InterruptedException e){

  e.printStackTrace();

  }

  }

  // when readerNumber >= 0

  readerNumber++;

  return buffer;

  }

  /**

  * should be called after reading

  */

  public synchronized void finishReading(){

  readerNumber--;

  if(readerNumber == 0){

  this.notifyAll(); // notify possible waiting writers

  }

  }

  /**

  * get buffer for writing.

  * should be called before writing.

  * @return the buffer

  */

  public synchronized List getBufferForWriting(){

  // if some writer is writing or some reader is reading, wait until no one is writing or reading

   while(readerNumber != 0){

  try{

  this.wait();

  }catch(InterruptedException e){

  e.printStackTrace();

  }

   }

  // when readerNumber == 0

  readerNumber--; // now readderNumber == -1.

  return buffer;

  }

  /**

  * should be called after writing

  */

  public synchronized void finishWriting(){

  readerNumber++; // readerNumber = -1 + 1 = 0;

  // readerNumber must be 0 at this point

  this.notifyAll(); // notify possible waiting writers or waiting readers

  }

}

读写资源类RWResource提供了4个Synchronized方法,分成两组,供读者和写者调用。

阅读上面的代码,可以看到,读写资源类RWResource通过readerNumber计数控制对共享资源的读写访问。当readerNumber等于0时,说明资源空闲,可以读写;当readerNumber大于0时,说明资源正在被一些读者读取,其他线程可以读,不可以写;当readerNumber小于0时(-1),说明资源被某个写者占用,正在写入,其他线程不可以读,也不可以写。

读者首先调用getBufferForReading()获取共享资源,如果readerNumber大于等于0,表示没有写者占用资源,读者能够获取共享资源,此时,readerNumber加1,表示读者的个数增加;读取之后,必须调用finishReading()释放资源,此时,readerNumber减1,表示读者的个数减少。

写者首先调用getBufferForWriting()获取共享资源,如果readerNumber等于0,表示资源空闲,写者能够获取到共享资源,此时,readerNumber减1,readerNumber的值变为-1,表示资源正在被写入;写者写完资源之后,必须调用,必须调用finishWriting()释放资源,此时,readerNumber加1,readerNumber的值变为0,回到空闲状态。

另外,还请留意读写资源类RWResource代码里面的wait()和notifyAll()调用。

读者在readerNumber小于0的情况下等待,调用Wait();写者在readerNumber大于0的情况下等待,调用Wait()。

在释放资源时( finishReading()或finishWriting() ),如果readerNumber的值变为0,回到空闲状态,调用notifyAll(),通知潜在的等待者——读者或写者。

4.读者类RunnableReader

package thread;

import java.util.List;

import java.util.Iterator;

public class RunnableReader implements Runnable{

  private RWResource resource = null;

  public RunnableReader() {

  }

  /**

  * must be called before start running

  * @param theResource

  */

  public void setRWResource(RWResource theResource){

  resource = theResource;

  }

  public void run(){

  while(true){

  // get the reader's name

  String readerName = "[" + Thread.currentThread().getName() + "] ";

  // first, get buffer for reading

  List buffer = resource.getBufferForReading();

  // reading

  for(Iterator iterator = buffer.iterator(); iterator.hasNext(); ){

  System.out.println(readerName + iterator.next());

  }

  int articleNumber = buffer.size();

  int thinkingTime = articleNumber * 1000;

  for(int i = 0; i < thinkingTime; i++){

  // thingking hard when reading

  }

  // finish reading

  resource.finishReading();

  // rest

  try{

  Thread.sleep(articleNumber * 50);

  }catch(InterruptedException e){

  e.printStackTrace();

  }

  }

  }

}

上述代码中的setRWResource()方法传入共享资源——读写资源类。本例采用参数传递的方法,在读者和写者之间共享读写资源类。

Run()方法实现Runnable接口的Run()方法。首先,获取当前读者(线程)的名称,然后,试图获取读资源——resource.getBufferForReading(),获取资源之后,读取buffer里面的所有文章,边读边思考(注意代码里面的for(int i = 0; i < thinkingTime; i++)行,占用cpu时间,表示思考过程),最后,释放资源——resource.finishReading()。读完文章,读者休息一段时间——Thread.sleep(articleNumber * 50)。

注意,在以上的过程中,一定要严格遵守这样的规定,在resource.getBufferForReading()和resource.finishReading()之间,进行读取操作。

5.写者类RunnableWriter

package thread;

import java.util.List;

import java.util.Iterator;

public class RunnableWriter implements Runnable{

  private RWResource resource = null;

  private int articleNumber = 0;

  public RunnableWriter() {

  articleNumber = 0;

  }

  /**

  * must be called before start running

  * @param theResource

  */

  public void setRWResource(RWResource theResource){

  resource = theResource;

  }

  public void run(){

  while(true){

  // get the writer's name

  String writerName = "[" + Thread.currentThread().getName() + "] ";

  // first, get buffer for reading

  List buffer = resource.getBufferForWriting();

  int nWritten = 3; // write 4 articles one time

  for(int n = 0; n< nWritten; n++){

  // writing

  articleNumber++;

  String articleName = "article" + articleNumber;

  buffer.add(articleName);

  System.out.println(writerName + articleName);

  int thinkingTime = 10000;

  for (int i = 0; i < thinkingTime; i++) {

  // thingking hard when writing

  }

  }  // finish writing

  resource.finishWriting();

  // rest

  try{

  Thread.sleep(500);

  }catch(InterruptedException e){

  e.printStackTrace();

  }

  }

  }

}

上述代码中的setRWResource()方法传入共享资源——读写资源类。本例采用参数传递的方法,在读者和写者之间共享读写资源类。

Run()方法实现Runnable接口的Run()方法。首先,获取当前写者(线程)的名称,然后,试图获取写资源——resource.getBufferForWriting(),获取资源之后,开始向buffer里面写3篇文章,边写边思考(注意代码里面的for(int i = 0; i < thinkingTime; i++)行,占用cpu时间,表示思考过程),最后,释放资源——resource.finishWriting()。读完文章,写者休息一段时间——Thread.sleep(500)。

注意,在以上的过程中,一定要严格遵守这样的规定,在resource.getBufferForWriting()和resource.finishWriting()之间,进行写操作。

6.测试类TestMain

package thread;

public class TestMain{

  public static void main(String[] args) {

  // init 生成共享资源

  RWResource resource = new RWResource();

  // 生成读者,设置共享资源

  RunnableReader reader = new RunnableReader();

  reader.setRWResource(resource);

  // 生成写者,设置共享资源。

  RunnableWriter writer = new RunnableWriter();

  writer.setRWResource(resource);

  int writerNumber = 5;  // 5个写者

  int readerNumber = 10; // 10个读者

  // start writers 生成5个写线程,并给每个线程起个名字,writer1, writer2…

  for(int i = 0; i < writerNumber; i++){

  Thread thread = new Thread(writer, "writer" + (i+1));

  thread.start();

  }

  // give writers enough time to think and write articles

  try{

  Thread.sleep(1000);

  }catch(InterruptedException e){

  e.printStackTrace();

  }

  // start readers生成10个读线程,并给每个线程起个名字,reader1, reader2…

  for(int i = 0; i < readerNumber; i++){

  Thread thread = new Thread(reader, "reader" + (i+1));

  thread.start();

  }

  }

}

以上的测试类TestMain代码,生成并运行多个写线程和读线程,产生的结果可能如下:

[writer1] article1

[writer1] article2

[writer1] article3

[reader2] article1

[reader3] article1

[reader4] article1

[reader5] article1

[reader6] article1…

[reader1] article1

[writer3] article67

[writer3] article68

[writer3] article69

我们可以看到,Writer写的文章的号码从不相同,而且,每个Writer每次写3篇文章,写的过程从来不会被打断。每个读者每次通读所有的文章,经常有几个读者同时读同一篇文章的情况。

6.两种改进思路

这个例子采用“盒”包装的方法,把“锁”(readerNumber)和资源(buffer)放在同一个“盒子”(RWResource)里,但是,“盒子”对资源的包装是不完全的,只是简单地把资源(buffer)返回给读者和写者,并没有对资源(buffer)的访问操作进行封装。

其实,可以对资源(buffer)的访问进行进一步封装,比如,为“盒子”提供String[] readerBuffer()和writeBuffer(String)两个方法,在这两个方法里面,根据锁(readerNumber)的状态,判断读写操作是否合法,这样,代码的整体性会更好。带来的结果是,RWResource类的调用规范和顺序更加严格,必须在resource.getBufferForReading()和resource.finishReading()调用readerBuffer()方法,必须在resource.getBufferForWriting()和resource.finishWriting()之间调用writeBuffer()方法。否则,这两个方法会报错。

这样做会增加RWResource类的复杂度。还有一些设计上的因素需要考虑——readerBuffer和writeBuffer方法是否应该被synchronized修饰?

从上例看到,在resource.getBufferForReading()和resource.finishReading()之间,进行读操作;在resource.getBufferForWriting()和resource.finishWriting()之间,进行写操作。读操作和写操作部分的代码,是不用同步的。所以,在getBufferForReading()和finishReading()这样的成对操作之间,用synchronized修饰readerBuffer和writeBuffer方法,是多此一举。

但是,从代码的完整性角度来看,因为readerBuffer和writeBuffer方法需要读 “锁”的状态,所以,readerBuffer和writeBuffer方法还是加上synchronized修饰符为好。

考虑到这些因素,本例采取了一种折衷的方法。从形式上看,“锁”和“资源”是聚合在一起的,实际上,两者的操作是分开的,并不相关。“盒子”根据“锁”的状态,调整资源的分配,读者和写者得到资源之后,享有对资源的完全访问权限

另一个方向是把“资源”和“锁”完全分开。把getBufferForReading方法改成startReading,把getBufferForWriting方法改成startWriting,RWResource不再分配资源,只进行“锁”操作。把RWResource该作RWLock类。

RunnableReader和RunnableWriter类各自增加一个setBuffer()方法,共享buffer资源。这样,RunnableReader和RunnableWriter类就有了两个分开的方法:setBuffer()设置共享资源,setRWLock()设置读写锁。

对本例稍加修改,就可以实现上述的两种思路。限于篇幅,这里不能给出完整的修改代码。

7.补充

本例中对读写资源类RWResource强加了调用顺序。

在resource.getBufferForReading()和resource.finishReading()之间,进行读操作。

在resource.getBufferForWriting()和resource.finishWriting()之间,进行写操作。

要求在执行一些处理之前,一定要执行某项特殊操作,处理之后一定也要执行某项特殊操作。这种人为的顺序性,无疑增加了代码的耦合度,降低了代码的独立性。很有可能会成为线程死锁和资源操作冲突的根源。

这点一直让我不安,可是没有找到方法避免。毕竟,死锁或者资源操作冲突,是线程的固有问题。

很巧的是,正在我惴惴不安的时候,我的一个朋友提供了一个信息。Sun公司根据JCR,决定在jdk1.5中引入关于concurrency(并发)的部分。

以下这个网址是concurrency部分的util.concurrent一个实现。非常好的信息。对于处理多线程并发问题,很有帮助。

http://gee.cs.oswego.edu/dl/classes/EDU/oswego/cs/dl/util/concurrent/intro.html

里面提供了一个ReadWriteLock类,标准用法如下。

Standard usage of ReadWriteLock:

 class X {

  ReadWriteLock rw;

  // ...

  public void read() throws InterruptedException {

  rw.readLock().acquire();

  try {

  // ... do the read

  }

  finally {

  rw.readlock().release()

  }

  }

  public void write() throws InterruptedException {

   rw.writeLock().acquire();

  try {

  // ... do the write

  }

  finally {

    rw.writelock().release()

  }

  }

 }

我们可以看到,ReadWriteLock同样要求调用的顺序——aquire()和release()。我对自己的例子增强了一点信心。

我又查看了WriterPreferenceReadWriteLock类,看到里面成对的方法,startRead(),endRead();startWrite(),endWrite()。我的心情完全放松了下来。我的思路虽然粗糙,但大体的方向是正确的。

建议,本文的例子比较简单,可以作为同步原理的入门简介,之后,访问专业化的代码http://gee.cs.oswego.edu/dl/classes/EDU/oswego/cs/dl/util/concurrent/intro.html

Enjoy it. :-)


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