對一種特殊的資源——對象中的內存——Java提供了內建的機制來防止它們的沖突。由於我們通常將數據元素設為從屬於private(私有)類,然後只通過方法訪問那些內存,所以只需將一個特定的方法設為synchronized(同步的),便可有效地防止沖突。在任何時刻,只可有一個線程調用特定對象的一個synchronized方法(盡管那個線程可以調用多個對象的同步方法)。下面列出簡單的synchronized方法:
synchronized void f() { /* ... */ }
synchronized void g() { /* ... */ }
每個對象都包含了一把鎖(也叫作“監視器”),它自動成為對象的一部分(不必為此寫任何特殊的代碼)。調用任何synchronized方法時,對象就會被鎖定,不可再調用那個對象的其他任何synchronized方法,除非第一個方法完成了自己的工作,並解除鎖定。在上面的例子中,如果為一個對象調用f(),便不能再為同樣的對象調用g(),除非f()完成並解除鎖定。因此,一個特定對象的所有synchronized方法都共享著一把鎖,而且這把鎖能防止多個方法對通用內存同時進行寫操作(比如同時有多個線程)。
每個類也有自己的一把鎖(作為類的Class對象的一部分),所以synchronized static方法可在一個類的范圍內被相互間鎖定起來,防止與static數據的接觸。
注意如果想保護其他某些資源不被多個線程同時訪問,可以強制通過synchronized方訪問那些資源。
1. 計數器的同步
裝備了這個新關鍵字後,我們能夠采取的方案就更靈活了:可以只為TwoCounter中的方法簡單地使用synchronized關鍵字。下面這個例子是對前例的改版,其中加入了新的關鍵字:
//: Sharing2.java // Using the synchronized keyword to prevent // multiple access to a particular resource. import java.awt.*; import java.awt.event.*; import java.applet.*; class TwoCounter2 extends Thread { private boolean started = false; private TextField t1 = new TextField(5), t2 = new TextField(5); private Label l = new Label("count1 == count2"); private int count1 = 0, count2 = 0; public TwoCounter2(Container c) { Panel p = new Panel(); p.add(t1); p.add(t2); p.add(l); c.add(p); } public void start() { if(!started) { started = true; super.start(); } } public synchronized void run() { while (true) { t1.setText(Integer.toString(count1++)); t2.setText(Integer.toString(count2++)); try { sleep(500); } catch (InterruptedException e){} } } public synchronized void synchTest() { Sharing2.incrementAccess(); if(count1 != count2) l.setText("Unsynched"); } } class Watcher2 extends Thread { private Sharing2 p; public Watcher2(Sharing2 p) { this.p = p; start(); } public void run() { while(true) { for(int i = 0; i < p.s.length; i++) p.s[i].synchTest(); try { sleep(500); } catch (InterruptedException e){} } } } public class Sharing2 extends Applet { TwoCounter2[] s; private static int accessCount = 0; private static TextField aCount = new TextField("0", 10); public static void incrementAccess() { accessCount++; aCount.setText(Integer.toString(accessCount)); } private Button start = new Button("Start"), observer = new Button("Observe"); private boolean isApplet = true; private int numCounters = 0; private int numObservers = 0; public void init() { if(isApplet) { numCounters = Integer.parseInt(getParameter("size")); numObservers = Integer.parseInt( getParameter("observers")); } s = new TwoCounter2[numCounters]; for(int i = 0; i < s.length; i++) s[i] = new TwoCounter2(this); Panel p = new Panel(); start.addActionListener(new StartL()); p.add(start); observer.addActionListener(new ObserverL()); p.add(observer); p.add(new Label("Access Count")); p.add(aCount); add(p); } class StartL implements ActionListener { public void actionPerformed(ActionEvent e) { for(int i = 0; i < s.length; i++) s[i].start(); } } class ObserverL implements ActionListener { public void actionPerformed(ActionEvent e) { for(int i = 0; i < numObservers; i++) new Watcher2(Sharing2.this); } } public static void main(String[] args) { Sharing2 applet = new Sharing2(); // This isn't an applet, so set the flag and // produce the parameter values from args: applet.isApplet = false; applet.numCounters = (args.length == 0 ? 5 : Integer.parseInt(args[0])); applet.numObservers = (args.length < 2 ? 5 : Integer.parseInt(args[1])); Frame aFrame = new Frame("Sharing2"); aFrame.addWindowListener( new WindowAdapter() { public void windowClosing(WindowEvent e){ System.exit(0); } }); aFrame.add(applet, BorderLayout.CENTER); aFrame.setSize(350, applet.numCounters *100); applet.init(); applet.start(); aFrame.setVisible(true); } } ///:~
我們注意到無論run()還是synchTest()都是“同步的”。如果只同步其中的一個方法,那麼另一個就可以自由忽視對象的鎖定,並可無礙地調用。所以必須記住一個重要的規則:對於訪問某個關鍵共享資源的所有方法,都必須把它們設為synchronized,否則就不能正常地工作。
現在又遇到了一個新問題。Watcher2永遠都不能看到正在進行的事情,因為整個run()方法已設為“同步”。而且由於肯定要為每個對象運行run(),所以鎖永遠不能打開,而synchTest()永遠不會得到調用。之所以能看到這一結果,是因為accessCount根本沒有變化。
為解決這個問題,我們能采取的一個辦法是只將run()中的一部分代碼隔離出來。想用這個辦法隔離出來的那部分代碼叫作“關鍵區域”,而且要用不同的方式來使用synchronized關鍵字,以設置一個關鍵區域。Java通過“同步塊”提供對關鍵區域的支持;這一次,我們用synchronized關鍵字指出對象的鎖用於對其中封閉的代碼進行同步。如下所示:
synchronized(syncObject) { // This code can be accessed by only // one thread at a time, assuming all // threads respect syncObject's lock }
在能進入同步塊之前,必須在synchObject上取得鎖。如果已有其他線程取得了這把鎖,塊便不能進入,必須等候那把鎖被釋放。
可從整個run()中刪除synchronized關鍵字,換成用一個同步塊包圍兩個關鍵行,從而完成對Sharing2例子的修改。但什麼對象應作為鎖來使用呢?那個對象已由synchTest()標記出來了——也就是當前對象(this)!所以修改過的run()方法象下面這個樣子:
public void run() { while (true) { synchronized(this) { t1.setText(Integer.toString(count1++)); t2.setText(Integer.toString(count2++)); } try { sleep(500); } catch (InterruptedException e){} } }
這是必須對Sharing2.java作出的唯一修改,我們會看到盡管兩個計數器永遠不會脫離同步(取決於允許Watcher什麼時候檢查它們),但在run()執行期間,仍然向Watcher提供了足夠的訪問權限。
當然,所有同步都取決於程序員是否勤奮:要訪問共享資源的每一部分代碼都必須封裝到一個適當的同步塊裡。
2. 同步的效率
由於要為同樣的數據編寫兩個方法,所以無論如何都不會給人留下效率很高的印象。看來似乎更好的一種做法是將所有方法都設為自動同步,並完全消除synchronized關鍵字(當然,含有synchronized run()的例子顯示出這樣做是很不通的)。但它也揭示出獲取一把鎖並非一種“廉價”方案——為一次方法調用付出的代價(進入和退出方法,不執行方法主體)至少要累加到四倍,而且根據我們的具體現方案,這一代價還有可能變得更高。所以假如已知一個方法不會造成沖突,最明智的做法便是撤消其中的synchronized關鍵字。