java资源竞争问题(线程互斥)

资源竞争 (线程互斥)  
1、什么是资源竞争  
　　有这样一种资源，在某一时刻只能被一个线程所使用：比如打印机、某个文件等等，如果多个线程不加控制的同时使用这类资源，必然会导至错误。 
　　下面的例子模拟了一个打印机，多个线程不加控制的同时使用这个打印机： 

 public class Printer
 {
     public void print(int printer, String content)
     {
         System.out.println("Start working for [" +printer+"]");
         Thread.yield();
         System.out.println("＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝");
         Thread.yield();
         System.out.println(content);
         Thread.yield();
         System.out.println("＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝");
         Thread.yield();
         System.out.println("Work complete for [" +printer+"]\n");
     }

     public static void main(String[] args)
     {
         Printer p = new Printer();

         for (int i=0; i<3; i++)
             new Thread(new MyThread(p)).start();
     }
 }

 class MyThread implements Runnable
 {
     private static int counter = 0;
     private final int id = counter++;

     private Printer printer;

     public MyThread(Printer printer)
     {
         this.printer = printer;
     }

     @Override
     public void run()
     {
         printer.print(id, "Content of " + id);
     }

 }

　　输出结果(sample) 

 Start working for [0]
 Start working for [1]
 ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
 ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
 Start working for [2]
 Content of 0
 Content of 1
 ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
 ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
 ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
 Content of 2
 Work complete for [0]

 Work complete for [1]

 ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
 Work complete for [2]

　　从结果可以看到，打印机的输出完全乱套了，各个线程想要打印的内容全部参杂在一起了。 

2、解决资源竞争问题 
　　原则上要解决这类问题并不难，只需要一个锁的机制。任何线程在使用打印机前必须先对打印机上锁；在使用完打印机后释放锁；如果线程尝试对打印机上锁时别的线程已经上了锁，则该线程必须等待别的线程先释放锁。 
　　Java中，解决上述资源共享类的问题是通过关键字synchronized实现的。java中的对象都有一个‘锁’，这样，任何一个线程尝试访问对象的synchronized方法时，必须要先获得对象的'锁'，否则必须等待。 
　　一个对象可能会有多个synchronized方法，比如synchronized a()方法和synchronized b()方法。当一个线程获得了对象的锁，进行a()方法、或b()方法了，那么在线程释放该对象的锁之前，别的线程是不能访问该对象的其它synchronized方法的。 
　　下面例子是之前的例子的改良版本，只需要简单的把Printer对象的print方法定义成synchronized的就可以达到我们的要求了： 

 public class Printer
 {
     public synchronized void print(int printer, String content)
     {
         System.out.println("Start working for [" +printer+"]");
         Thread.yield();
         System.out.println("＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝");
         Thread.yield();
         System.out.println(content);
         Thread.yield();
         System.out.println("＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝");
         Thread.yield();
         System.out.println("Work complete for [" +printer+"]\n");
     }

     public static void main(String[] args)
     {
         Printer p = new Printer();

         for (int i=0; i<3; i++)
             new Thread(new MyThread(p)).start();
     }
 }

 class MyThread implements Runnable
 {
     private static int counter = 0;
     private final int id = counter++;

     private Printer printer;

     public MyThread(Printer printer)
     {
         this.printer = printer;
     }

     @Override
     public void run()
     {
         printer.print(id, "Content of " + id);
     }

 }

　　输出结果 

 Start working for [0]
 ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
 Content of 0
 ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
 Work complete for [0]

 Start working for [2]
 ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
 Content of 2
 ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
 Work complete for [2]

 Start working for [1]
 ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
 Content of 1
 ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝
 Work complete for [1]

　　从结果的输出可以看出来，被模拟的打印机资源在某一时刻，仅被一个线程所使用。 

3、临界区 
　　有些时候，你可能不需要隔离整个方法，而只需要隔离方法中的部分代码，这部分被隔离的代码就叫做临界区。临界区中的代码在某一时刻，只能被一个线程访问。 
　　下面的例子，是用临界区的方式实现了前面的例子： 

 public class Printer
 {
     public void print(int printer, String content)
     {
         synchronized(this)
         {
             System.out.println("Start working for [" +printer+"]");
             Thread.yield();
             System.out.println("＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝");
             Thread.yield();
             System.out.println(content);
             Thread.yield();
             System.out.println("＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝");
             Thread.yield();
             System.out.println("Work complete for [" +printer+"]\n");
         }
     }

     public static void main(String[] args)
     {
         Printer p = new Printer();

         for (int i=0; i<3; i++)
             new Thread(new MyThread(p)).start();
     }
 }

 class MyThread implements Runnable
 {
     private static int counter = 0;
     private final int id = counter++;

     private Printer printer;

     public MyThread(Printer printer)
     {
         this.printer = printer;
     }

     @Override
     public void run()
     {
         printer.print(id, "Content of " + id);
     }

 }

　　可以看到，在Java中临界区也是通过synchronized关键字实现的。在synchronized关键字后面，要传一个对象参数，任何线程要进入临界区时必须先要获得该对象的锁，退出临界区时要释放该对象的锁，这样别的线程才有机会进入临界区。 
　　从上面两个例子可以看出，临界区和synchronized方法，其原理都是一样的，都是通过在对象上加锁来实现的，只不过临界区来得更加灵活，因为它不光可以对this对象加锁，也可以对任何别的对象加锁。 

4、Lock 
　　Java1.5提供了一个显示加锁的机制，比起synchronized方式来说，显示加锁的方法可能让代码看上去更加复杂，但是也带来了更好的灵活性。 
　　下面的例子，用Lock的机制实现了前面的例子： 

 public class Printer
 {
     private Lock lock = new ReentrantLock();

     public void print(int printer, String content)
     {
         lock.lock();

         try
         {
             System.out.println("Start working for [" +printer+"]");
             Thread.yield();
             System.out.println("＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝");
             Thread.yield();
             System.out.println(content);
             Thread.yield();
             System.out.println("＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝");
             Thread.yield();
             System.out.println("Work complete for [" +printer+"]\n");
         }
         finally
         {
             lock.unlock();
         }
     }

     public static void main(String[] args)
     {
         Printer p = new Printer();

         for (int i=0; i<3; i++)
             new Thread(new MyThread(p)).start();
     }
 }

 class MyThread implements Runnable
 {
     private static int counter = 0;
     private final int id = counter++;

     private Printer printer;

     public MyThread(Printer printer)
     {
         this.printer = printer;
     }

     @Override
     public void run()
     {
         printer.print(id, "Content of " + id);
     }

 }

　　使用Lock的时候，必须要注意两点： 

• 锁的释放必须放在finally块里面，以保证锁被正确的释放；
• 如果被隔间的方法或临界间需要返回一个值，那么return语句应该放在try块中，从而不至于使unlock发生得过早而导至错误的发生。

使用显示的Lock机制，可以让程序更加的灵活。比如上面的例子中，如果尝试使用打印机的时候，打印机正被别的线程所使用，那么早取消本次打印。要实现这样的功能，使用synchronized可能不太容易实现，但是使用Lock机制的话，就非常简单了： 

 public class Printer
 {
     private Lock lock = new ReentrantLock();

     public void print(int printer, String content)
     {
         boolean isLocked = lock.tryLock();

         if (!isLocked)
             return;

         try
         {
             System.out.println("Start working for [" +printer+"]");
             Thread.yield();
             System.out.println("＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝");
             Thread.yield();
             System.out.println(content);
             Thread.yield();
             System.out.println("＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝");
             Thread.yield();
             System.out.println("Work complete for [" +printer+"]\n");
         }
         finally
         {
             if(isLocked)
                 lock.unlock();
         }
     }

     public static void main(String[] args)
     {
         Printer p = new Printer();

         for (int i=0; i<3; i++)
             new Thread(new MyThread(p)).start();
     }
 }

 class MyThread implements Runnable
 {
     private static int counter = 0;
     private final int id = counter++;

     private Printer printer;

     public MyThread(Printer printer)
     {
         this.printer = printer;
     }

     @Override
     public void run()
     {
         printer.print(id, "Content of " + id);
     }

 }

　　Lock.tryLock()方法尝试对lock对象加锁并返回一个boolean值，如果成功了，返回true，表明当前没有别的线程在使用打印机，那么当前线程将获得lock对象的锁，并继续打印；如果失败了，返回false，表明别的线程正在使用打印机，当前线程将简单的返回，而不是等待别的线程释放锁。