Java 語(yǔ)言的并發(fā)編程 就其自身來(lái)說(shuō)，并發(fā)編程是一種技術(shù)，提供了操作的同時(shí)執(zhí)行，不論是在單一系統(tǒng)上還是分布在大量系統(tǒng)上。這類操作實(shí)際是一些指令順序，例如單獨(dú)某個(gè)頂級(jí)任務(wù)的子任務(wù)，這類操作能夠并行執(zhí)行，或者是作為線程，或者是作為進(jìn)程。線程和進(jìn)程之間的本質(zhì)區(qū)別在于：進(jìn)程通常是獨(dú)立的(例如獨(dú)立的地址空間)，所以只能通過(guò)系統(tǒng)提供的進(jìn)程間通信機(jī)制進(jìn)行交互，而線程通常共享單一進(jìn)程的狀態(tài)信息，能夠直接共享系統(tǒng)資源和內(nèi)存中的對(duì)象。

可以使用下面兩種方法之一，通過(guò)多個(gè)進(jìn)程來(lái)實(shí)現(xiàn)并發(fā)。第一種方法是在同一個(gè)處理器上運(yùn)行進(jìn)程，由操作系統(tǒng)處理進(jìn)程之間的上下文環(huán)境切換。(可以理解，這種切換要比同一進(jìn)程內(nèi)多線程之間的上下文環(huán)境切換更慢。)第二種方法是構(gòu)建大規(guī)模的并行和復(fù)雜的分布式系統(tǒng)，在不同的物理處理器上運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程。

從內(nèi)建支持的角度來(lái)說(shuō)，Java 語(yǔ)言通過(guò)線程提供并發(fā)編程;每個(gè) JVM 都能支持許多線程同時(shí)執(zhí)行?？梢杂靡韵聝煞N方法之一在 Java 語(yǔ)言中創(chuàng)建線程：

繼承 java.lang.Thread 類。在這種情況下，已經(jīng)重寫的子類的 run() 方法必須包含實(shí)現(xiàn)線程運(yùn)行時(shí)行為的代碼。要執(zhí)行這個(gè)代碼，需要實(shí)例化子類對(duì)象，然后調(diào)用對(duì)象的 start() 方法，這樣就可以在內(nèi)部執(zhí)行 run() 方法了。

創(chuàng)建 Runnable 接口的定制實(shí)現(xiàn)。這個(gè)接口只包含一個(gè) run() 方法，在這個(gè)方法中，要放置應(yīng)用程序代碼。要執(zhí)行這個(gè)代碼，需要實(shí)例化實(shí)現(xiàn)類的對(duì)象，然后在創(chuàng)建新 Thread 時(shí)，把對(duì)象作為構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)傳入。然后調(diào)用新創(chuàng)建的線程對(duì)象的 start() 方法，開始執(zhí)行控制的新線程。

線程安全性和同步

如果 Java 對(duì)象中的某個(gè)方法能夠安全地運(yùn)行在多線程環(huán)境中，那么就稱該方法是 線程安全的。要獲得這種安全性，必須有一種機(jī)制，通過(guò)該機(jī)制，運(yùn)行同一方法的多個(gè)線程就能夠同步其操作，這樣，在訪問(wèn)相同的對(duì)象或代碼行時(shí)，就會(huì)只允許一個(gè)線程被處理。這種同步要求線程使用叫作 信號(hào) 的對(duì)象彼此進(jìn)行溝通。

有一種類型的信號(hào)叫作 互斥信號(hào) 或 互斥體。顧名思義，這個(gè)信號(hào)對(duì)象的擁有權(quán)是互斥的，也就是說(shuō)，在任意指定時(shí)間，只有一個(gè)線程能夠擁有互斥體。其他想獲得所有權(quán)的線程會(huì)被阻塞，它們必須等待，直到擁有互斥體的線程釋放互斥體。如果多個(gè)線程按順序排隊(duì)等候同一互斥體，那么在當(dāng)前擁有者釋放它的時(shí)候，只有一個(gè)等候線程能夠得到它;其他線程將繼續(xù)阻塞。

在 1970 年代初，C.A.R. Hoare 和其他人共同開發(fā)了一個(gè)叫作 監(jiān)視器 的概念。一個(gè) 監(jiān)視器 就是一個(gè)代碼主體，它的訪問(wèn)受到互斥體的保護(hù)。任何想執(zhí)行這個(gè)代碼的線程，都必須在代碼塊頂部得到關(guān)聯(lián)的互斥體，然后在底部再釋放它。因?yàn)樵谥付〞r(shí)間只有一個(gè)線程能夠擁有互斥體，所以這就有效地保證了只有擁有它的線程才能執(zhí)行監(jiān)視器的代碼塊。(受保護(hù)的代碼不需要相鄰 —— 例如，Java 語(yǔ)言中的每個(gè)對(duì)象都有一個(gè)與之關(guān)聯(lián)的監(jiān)視器。)

任何想在 Java 語(yǔ)言中進(jìn)行線程編程的開發(fā)人員，都會(huì)立即把上面的內(nèi)容當(dāng)成 synchronized 關(guān)鍵字所帶來(lái)的效果。可以確保包含在 synchronized 塊中的 Java 代碼在指定時(shí)間只被一個(gè)線程執(zhí)行。在內(nèi)部，可以由運(yùn)行時(shí)將 synchronized 關(guān)鍵字轉(zhuǎn)換成某一種情況：所有的競(jìng)爭(zhēng)線程都試圖獲得與它們(指線程)正在操作的對(duì)象實(shí)例關(guān)聯(lián)的那個(gè)(惟一的一個(gè))互斥體。成功得到互斥體的線程將運(yùn)行代碼，然后在退出 synchronized 塊時(shí)釋放互斥體。

等候和通知

wait/notify 構(gòu)造在 Java 語(yǔ)言的線程間通信機(jī)制中也扮演了重要的角色。基本的想法是：一個(gè)線程需要的某個(gè)條件可以由另外一個(gè)線程促成。這樣，條件的 wait 就可以得到滿足。一旦條件為真，那么引發(fā)條件的線程就會(huì) notify 等候線程蘇醒，并從中止的地方繼續(xù)進(jìn)行。

wait/notify 機(jī)制要比 synchronized 機(jī)制更難理解和判斷。要想判斷出使用 wait/notify 的方法的行為邏輯，就要求判斷出使用它的所有方法的邏輯。一次判斷一個(gè)方法，把該方法和其他方法隔離開，是對(duì)整體系統(tǒng)行為得出錯(cuò)誤結(jié)論的可靠方式。顯然，這樣做的復(fù)雜性會(huì)隨著要判斷的方法的數(shù)量增長(zhǎng)而迅速提高。

線程狀態(tài)

我前面提到過(guò)，必須調(diào)用新創(chuàng)建的線程的 start() 方法來(lái)啟動(dòng)它的執(zhí)行。但是，僅僅是調(diào)用 start() 方法并不意味著線程會(huì)立即開始運(yùn)行。這個(gè)方法只是把線程的狀態(tài)從 new 變成 runnable。只有在操作系統(tǒng)真正安排線程執(zhí)行的時(shí)候，線程狀態(tài)才會(huì)變成 running (從 runnable)。

典型的操作系統(tǒng)支持兩種線程模型 —— 協(xié)作式和搶占式。在協(xié)作式 模型中，每個(gè)線程對(duì)于自己對(duì) CPU 的控制權(quán)要保留多久、什么時(shí)候放棄有最終意見(jiàn)。在這個(gè)模型中，因?yàn)榭赡艽嬖谀硞€(gè)無(wú)賴線程占住控制權(quán)不放，所以其他線程可能永遠(yuǎn)無(wú)法得到運(yùn)行。在 搶占式 模型中，操作系統(tǒng)本身采用基于時(shí)鐘“滴答的計(jì)時(shí)器，基于這個(gè)計(jì)時(shí)器，操作系統(tǒng)可以強(qiáng)制把控制權(quán)從一個(gè)線程轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)線程。在這種情況下，決定哪個(gè)線程會(huì)得到下一次控制權(quán)的調(diào)度策略就有可能基于各種指標(biāo)，例如相對(duì)優(yōu)先級(jí)、某個(gè)線程已經(jīng)等待執(zhí)行的時(shí)間長(zhǎng)短，等等。

如果出于某些原因，處在 running 狀態(tài)的線程需要等候某個(gè)資源(例如，等候設(shè)備的輸入數(shù)據(jù)到達(dá)，或者等候某些條件已經(jīng)設(shè)定的通知)，或者在試圖獲得互斥體的時(shí)候被阻塞，因此線程決定睡眠，那么這時(shí)它可以進(jìn)入 blocked 狀態(tài)。當(dāng)睡眠周期到期、預(yù)期輸入到達(dá)，或者互斥體當(dāng)前的擁有者將其釋放并通知等候線程可以再次奪取互斥體時(shí)，阻塞的線程重新進(jìn)入 runnable 狀態(tài)。

當(dāng)線程的 run() 方法完成時(shí)(或者正常返回，或者拋出 RuntimeException 這樣的未檢測(cè)到異常)，線程將終止。這時(shí)，線程的狀態(tài)是 dead。當(dāng)線程死亡時(shí)，就不能通過(guò)再次調(diào)用它的 start() 方法來(lái)重新啟動(dòng)它，如果那么做，則會(huì)拋出 InvalidThreadStateException 異常。

四個(gè)常見(jiàn)缺陷

正如我已經(jīng)展示過(guò)的，Java 語(yǔ)言中的多線程編程是通過(guò)語(yǔ)言支持的大量精心設(shè)計(jì)的構(gòu)造實(shí)現(xiàn)的。另外，還設(shè)計(jì)了大量設(shè)計(jì)模式和指導(dǎo)原則，來(lái)幫助人們了解這種復(fù)雜性帶來(lái)的許多缺陷。除此之外，多線程編程會(huì)很容易地在不經(jīng)意間把細(xì)微的 bug 帶進(jìn)多線程代碼，而且更重要的是，這類問(wèn)題分析和調(diào)試起來(lái)非常困難。接下來(lái)要介紹的是用 Java 語(yǔ)言進(jìn)行多線程編程時(shí)將會(huì)遇到(或者可能已經(jīng)遇到過(guò))的最常見(jiàn)問(wèn)題的一個(gè)列表。

爭(zhēng)用條件

據(jù)說(shuō) 爭(zhēng)用條件 存在于這樣的系統(tǒng)中：多個(gè)線程之間存在對(duì)共享資源的競(jìng)爭(zhēng)，而勝出者決定系統(tǒng)的行為。Allen Holub 在他撰寫的文章 “programming Java threads in the real world 提供了一個(gè)帶有這樣 bug 的簡(jiǎn)單的多線程程序示例。在沖突的訪問(wèn)請(qǐng)求之間進(jìn)行不正確同步的另一個(gè)更可怕的后果是 數(shù)據(jù)崩潰，此時(shí)，共享的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有一部分由一個(gè)線程更新，而另一部分由另一個(gè)線程更新。在這種情況下，系統(tǒng)的行為不是按照勝出線程的意圖進(jìn)行，系統(tǒng)根本不按照任何一個(gè)線程的意圖行動(dòng)，所以兩個(gè)線程最后都將以失敗告終。

死鎖

死鎖 的情況是指：線程由于等候某種條件變成真(例如資源可以使用)，但是它等候的條件無(wú)法變成真，因?yàn)槟軌蜃寳l件變成真的線程在等候第一個(gè)線程“做某件事。這樣，兩個(gè)線程都在等候?qū)Ψ较炔扇〉谝徊?，所以都無(wú)法做事。

活動(dòng)鎖

活動(dòng)鎖 與 死鎖 不同，它是在線程實(shí)際工作的時(shí)候發(fā)生的，但這時(shí)還沒(méi)有完成工作。這通常是在兩個(gè)線程交叉工作的時(shí)候發(fā)生，所以第一個(gè)線程做的工作被另一個(gè)線程取消。一個(gè)簡(jiǎn)單的示例就是：每個(gè)線程已經(jīng)擁有了一個(gè)對(duì)象，同時(shí)需要另外一個(gè)線程擁有的另外一個(gè)對(duì)象。可以想像這樣的情況：每個(gè)線程放下自己擁有的對(duì)象，撿起另外一個(gè)線程放下的對(duì)象。顯然，這兩個(gè)線程會(huì)永遠(yuǎn)都運(yùn)行在上鎖這一步操作上，結(jié)果是什么都做不成。(常見(jiàn)的真實(shí)示例就是，兩個(gè)人在狹窄的走廊相遇。每個(gè)人都禮貌地讓到另一邊讓對(duì)方先行，但卻在相同的時(shí)間都讓到同一邊了，所以兩個(gè)人還都沒(méi)法通過(guò)。這種情況會(huì)持續(xù)一些時(shí)間，然后兩個(gè)人都從這邊閃到那邊，結(jié)果還是一點(diǎn)進(jìn)展也沒(méi)有。)資源耗盡

資源耗盡，又稱為 線程耗盡，是 Java 語(yǔ)言的 wait/notify 原語(yǔ)無(wú)法保證 live-ness 的后果。Java 強(qiáng)制這些方法要擁有它們等候或通知的對(duì)象的鎖。在某個(gè)線程上調(diào)用的 wait() 方法在開始等候之前必須釋放監(jiān)視器鎖，然后在從方法返回并獲得通知之后，必須再次重新獲得鎖。因此，Java 語(yǔ)言規(guī)范在鎖本身之外，還描述了一套與每個(gè)對(duì)象相關(guān)的 等候集(wait set)。一旦線程釋放了對(duì)象上的鎖(在 wait 的調(diào)用之后)，線程就會(huì)放在這個(gè)等候集上。

多數(shù) JVM 實(shí)現(xiàn)把等候線程放在隊(duì)列中。所以，如果在通知發(fā)生的時(shí)候，還有其他線程在等候監(jiān)視器，那么就會(huì)把一個(gè)新線程放在隊(duì)列尾部，而它并不是下一個(gè)獲得鎖的線程。所以，等到被通知線程實(shí)際得到監(jiān)視器的時(shí)候，通知該線程的條件可能已經(jīng)不再為真，所以它不得不再次 wait。這種情況可能無(wú)限持續(xù)下去，從而造成運(yùn)算工作上浪費(fèi)(因?yàn)橐磸?fù)把該線程放入等候集和從中取出)和線程耗盡。

貪心哲學(xué)家的寓言

演示這種行為的原型示例是 Peter Welch 教授描述的“聰明人沒(méi)有雞肉。在這個(gè)場(chǎng)景中考慮的系統(tǒng)是一所由五位哲學(xué)家、一位廚師和一個(gè)食堂組成的學(xué)院。所有的哲學(xué)家(除了一位)都要想想(在代碼示例中，考慮的時(shí)間是 3 秒)之后才去食堂取飯。而“貪心的哲學(xué)家則不想把時(shí)間浪費(fèi)在思考上 —— 相反，他一次又一次地回到食堂，企圖拿到雞肉來(lái)吃。

廚師按照一批四份的定量準(zhǔn)備雞肉，每準(zhǔn)備好一批，就送到食堂。貪心的哲學(xué)家不斷地去廚房，但他總是錯(cuò)過(guò)食物!事情是這樣的：他第一次到的時(shí)候，時(shí)間太早，廚師還沒(méi)開火。因此貪心的哲學(xué)家只好干等著(通過(guò) wait() 方法調(diào)用)。在開飯的時(shí)候(通過(guò) notify() 方法調(diào)用)，貪心的哲學(xué)家再一次回到食堂排隊(duì)等候。但是這次，在他前來(lái)等候的時(shí)候，他的四位同事已經(jīng)到了，所以他在食堂隊(duì)列中的位置在他們后面。他的同事們把廚房送來(lái)的一批四份雞肉全部拿走了，所以貪心的哲學(xué)家又要在一邊等著了。 可憐(也可能是公平的) ，他永遠(yuǎn)處在這個(gè)循環(huán)之外。

驗(yàn)證的問(wèn)題

一般來(lái)說(shuō)，很難按照普通的規(guī)范對(duì) Java 編程的多線程程序進(jìn)行驗(yàn)證。同樣，開發(fā)自動(dòng)化工具對(duì)于常見(jiàn)的并發(fā)問(wèn)題(例如死鎖、活動(dòng)鎖和資源耗盡)進(jìn)行完整而簡(jiǎn)單的分析也不太容易——特別是在任意 Java 程序中或者在缺乏并發(fā)的正式模型的時(shí)候。

更糟的是，并發(fā)性問(wèn)題出了名的變化多端、難于跟蹤。每個(gè) Java 開發(fā)人員都曾經(jīng)聽(tīng)說(shuō)過(guò)(或者親自編寫過(guò))這樣的 Java 程序：經(jīng)過(guò)嚴(yán)格分析，而且正常運(yùn)行了相當(dāng)一段時(shí)間，沒(méi)有表現(xiàn)出潛在的死鎖。然后突然有一天，問(wèn)題發(fā)生了，結(jié)果弄得開發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷許多的不眠之夜來(lái)試圖發(fā)現(xiàn)并修補(bǔ)根本原因。

一方面，多線程 Java 程序容易發(fā)生的錯(cuò)誤非常不明顯，有可能在任意什么時(shí)候發(fā)生。另一方面，完全有可能這些 bug 在程序中從不出現(xiàn)。問(wèn)題取決于一些不可知的因素。多線程程序的復(fù)雜本質(zhì)，使得人們很難有效地對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。沒(méi)有一套現(xiàn)成的規(guī)則可以找出多線程代碼中的這類問(wèn)題，也無(wú)法確切地證明這些問(wèn)題不存在，這些導(dǎo)致許多 Java 開發(fā)人員完全避開多線程應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和開發(fā)，即使用并發(fā)和并行的方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模會(huì)非常棒，他們也不使用多線程。

確實(shí)想進(jìn)行多線程編程的開發(fā)人員通常準(zhǔn)備好了以下一個(gè)或兩個(gè)解決方案(至少是一部分)：

長(zhǎng)時(shí)間艱苦地測(cè)試代碼，找出所有出現(xiàn)的并發(fā)性問(wèn)題，誠(chéng)心地希望到應(yīng)用程序真正運(yùn)行地時(shí)候已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并修復(fù)了所有這類問(wèn)題。

大量運(yùn)行設(shè)計(jì)模式和為多線程編程建立的指導(dǎo)原則。但是，這類指導(dǎo)原則只在整個(gè)系統(tǒng)都按照它們的規(guī)范設(shè)計(jì)的時(shí)候才有效，沒(méi)有設(shè)計(jì)規(guī)則能夠覆蓋所有類型的系統(tǒng)。

雖然知道的人不多，但是對(duì)于編寫(然后驗(yàn)證)正確的多線程應(yīng)用程序這一問(wèn)題，還有第三個(gè)選項(xiàng)。使用稱為通信順序進(jìn)程( Communicating Sequential Processes，CSP)的精確的線程同步的數(shù)學(xué)理論，可以在設(shè)計(jì)時(shí)最好地處理死鎖和活動(dòng)鎖之類的問(wèn)題。CSP 由 C.A.R. Hoare 與 20 世紀(jì) 70 年代后期設(shè)計(jì)，CSP 提供了有效的方法，證明用它的構(gòu)造和工具構(gòu)建的系統(tǒng)可以免除并發(fā)的常見(jiàn)問(wèn)題。

結(jié)束語(yǔ)

在這份面向 Java 程序員的 CSP 全面介紹中，我把重點(diǎn)放在克服多線程應(yīng)用程序開發(fā)常見(jiàn)問(wèn)題的第一步上，即了解這些問(wèn)題。我介紹了 Java 平臺(tái)上目前支持的多線程編程構(gòu)造，解釋了它們的起源，討論了這類程序可能會(huì)有的問(wèn)題。我還解釋了用正式理論在任意的、大型的和復(fù)雜的應(yīng)用程序中清除這些問(wèn)題(即競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)、死鎖、活動(dòng)鎖和資源耗盡)或者證明這些問(wèn)題不存在的困難。