1、 共享变量
要使多个线程在一个程序中有用,它们必须有某种方法可以互相通信或共享它们的结果。
让线程共享其结果的最简单方法是使用共享变量。它们还应该使用同步来确保值从一个线程正确传播到另一个线程,以及防止当一个线程正在更新一些相关数据项时,另一个线程看到不一致的中间结果。
线程基础中计算素数的示例使用了一个共享布尔变量,用于表示指定的时间段已经过去了。这说明了在线程间共享数据最简单的形式是:轮询共享变量以查看另一个线程是否已经完成执行某项任务。
2、存在于同一个内存空间中的所有线程
正如前面讨论过的,线程与进程有许多共同点,不同的是线程与同一进程中的其它线程共享相同的进程上下文,包括内存。这非常便利,但也有重大责任。只要访问共享变量(静态或实例字段),线程就可以方便地互相交换数据,但线程还必须确保它们以受控的方式访问共享变量,以免它们互相干扰对方的更改。
任何线程可以访问所有其作用域内的变量,就象主线程可以访问该变量一样。素数示例使用了一个公用实例字段,叫做 finished,用于表示已经过了指定的时间。当计时器过期时,一个线程会写这个字段;另一个线程会定期读取这个字段,以检查它是否应该停止。注:这个字段被声明成 volatile,这对于这个程序的正确运行非常重要。在本章的后面,我们将看到原因。
3、受控访问的同步
为了确保可以在线程之间以受控方式共享数据,Java 语言提供了两个要害字:synchronized 和 volatile。
Synchronized 有两个重要含义:它确保了一次只有一个线程可以执行代码的受保护部分(互斥,mutual exclusion 或者说 mutex),而且它确保了一个线程更改的数据对于其它线程是可见的(更改的可见性)。
假如没有同步,数据很轻易就处于不一致状态。例如,假如一个线程正在更新两个相关值(比如,粒子的位置和速率),而另一个线程正在读取这两个值,有可能在第一个线程只写了一个值,还没有写另一个值的时候,调度第二个线程运行,这样它就会看到一个旧值和一个新值。同步让我们可以定义必须原子地运行的代码块,这样对于其他线程而言,它们要么都执行,要么都不执行。
同步的原子执行或互斥方面类似于其它操作环境中的临界段的概念。
4、确保共享数据更改的可见性
同步可以让我们确保线程看到一致的内存视图。
处理器可以使用高速缓存加速对内存的访问(或者编译器可以将值存储到寄存器中以便进行更快的访问)。在一些多处理器体系结构上,假如在一个处理器的高速缓存中修改了内存位置,没有必要让其它处理器看到这一修改,直到刷新了写入器的高速缓存并且使读取器的高速缓存无效。
这表示在这样的系统上,对于同一变量,在两个不同处理器上执行的两个线程可能会看到两个不同的值!这听起来很吓人,但它却很常见。它只是表示在访问其它线程使用或修改的数据时,必须遵循某些规则。
Volatile 比同步更简单,只适合于控制对基本变量(整数、布尔变量等)的单个实例的访问。当一个变量被声明成 volatile,任何对该变量的写操作都会绕过高速缓存,直接写入主内存,而任何对该变量的读取也都绕过高速缓存,直接取自主内存。这表示所有线程在任何时候看到的 volatile 变量值都相同。
假如没有正确的同步,线程可能会看到旧的变量值,或者引起其它形式的数据损坏。
5、用锁保护的原子代码块
Volatile 对于确保每个线程看到最新的变量值非常有用,但有时我们需要保护比较大的代码片段,如涉及更新多个变量的片段。
同步使用监控器(monitor)或锁的概念,以协调对特定代码块的访问。
每个 Java 对象都有一个相关的锁。同一时间只能有一个线程持有 Java 锁。当线程进入 synchronized 代码块时,线程会阻塞并等待,直到锁可用,当它可用时,就会获得这个锁,然后执行代码块。当控制退出受保护的代码块时,即到达了代码块末尾或者抛出了没有在 synchronized 块中捕捉的异常时,它就会释放该锁。
这样,每次只有一个线程可以执行受给定监控器保护的代码块。从其它线程的角度看,该代码块可以看作是原子的,它要么全部执行,要么根本不执行。
6、简单的同步示例
使用 synchronized 块可以让您将一组相关更新作为一个集合来执行,而不必担心其它线程中断或看到计算的中间结果。以下示例代码将打印“1 0”或“0 1”。假如没有同步,它还会打印“1 1”(或“0 0”,随便您信不信)。
public class SyncExample {
private static lockObject = new Object();
private static class Thread1 extends Thread {
public void run() {
synchronized (lockObject) {
x = y = 0;
System.out.println(x);
}
}
}
private static class Thread2 extends Thread {
public void run() {
synchronized (lockObject) {
x = y = 1;
System.out.println(y);
}
}
}
public static void main(String[] args) {
new Thread1().run();
new Thread2().run();
}
}
在这两个线程中都必须使用同步,以便使这个程序正确工作。