轻松学习多线程-02-Single Threaded Execution 模式

Single Threaded Execution

这座桥,一次只能过一个人。

情景引入

使用程序模拟三个人频繁通过一个只允许通过一个人的门。
每次有人通过,人数统计便会增加。
每次通过,都会校验通过者的信息。

普通方式

定义

  • Gate.java

定义接口。

/**
 * 接口
 * @author bbhou
 */
public interface Gate {

    /**
     * 对过门的人通过校验
     * @param name 姓名
     * @param address 地址
     */
    void pass(String name, String address);

}
  • UserThread.java

用户执行线程

/**
 * 用户线程
 * @author bbhou
 * @since 1.0.0
 */
public class UserThread extends Thread {

    private final Gate gate;

    /**
     * 名称
     */
    private final String name;

    /**
     * 地址
     */
    private final String address;

    public UserThread(Gate gate, String name, String address) {
        this.gate = gate;
        this.name = name;
        this.address = address;
    }

    @Override
    public void run() {
        System.out.println(this.name + " BEGIN!");
        while (true) {
            this.gate.pass(name, address);
        }
    }

}
  • UnsafeGate.java

线程不安全的实现

/**
 * UnsafeGate 线程不安全
 * @since 1.0.0
 * @author bbhou
 */
public class UnsafeGate implements Gate {

    /**
     * 计数器
     */
    private int counter = 0;

    /**
     * 姓名
     */
    private String name;

    /**
     * 地址
     */
    private String address;

    /**
     * 通过
     * @param name 姓名
     * @param address 地址
     */
    @Override
    public void pass(String name, String address) {
        this.counter++;
        this.name = name;
        this.address = address;
        check();
    }

    /**
     * 信息校验
     */
    private void check() {
        if(name.charAt(0) != address.charAt(0)) {
            System.out.println("-----------------------BROKEN-----------------------"
            +toString());
        }
    }


    @Override
    public String toString() {
        return "UnsafeGate{" +
                "counter=" + counter +
                ", name='" + name + '\'' +
                ", address='" + address + '\'' +
                '}';
    }

}

运行 & 测试

  • run
public static void main(String[] args) {
       Gate gate = new UnsafeGate();
       new UserThread(gate, "Apple", "Apple").start();
       new UserThread(gate, "Big", "Big").start();
       new UserThread(gate, "Cat", "Cat").start();
}
  • 运行结果
Apple BEGIN!
Cat BEGIN!
-----------------------BROKEN-----------------------UnsafeGate{counter=3393, name='Apple', address='Cat'}
Big BEGIN!
-----------------------BROKEN-----------------------UnsafeGate{counter=3903, name='Apple', address='Apple'}
-----------------------BROKEN-----------------------UnsafeGate{counter=4098, name='Apple', address='Apple'}
-----------------------BROKEN-----------------------UnsafeGate{counter=4301, name='Apple', address='Apple'}
-----------------------BROKEN-----------------------UnsafeGate{counter=3393, name='Apple', address='Cat'}
(以下省略)

结果分析

很明显,这不太符合我们的预期。
当多线程执行时,这个类是线程不安全的。
出现这种现象的原因是,当一个线程执行 check() 方法时,其他线程在执行 pass() 方法。导致 name、address 的属性被修改。
如何解决这个问题呢?
请往下看。

模式案例

  • SafeGate.java

我们将 pass()toString() 进行同步保护。如下:

/**
 * 线程安全
 * @since 1.0.0
 * @author bbhou
 */
public class SafeGate implements Gate {

    /**
     * 计数器
     */
    private int counter = 0;

    /**
     * 姓名
     */
    private String name;

    /**
     * 地址
     */
    private String address;

    /**
     * 通过
     * @param name 姓名
     * @param address 地址
     */
    @Override
    public synchronized void pass(String name, String address) {
        this.counter++;
        this.name = name;
        this.address = address;
        check();
    }

    /**
     * 信息校验
     */
    private void check() {
        if(name.charAt(0) != address.charAt(0)) {
            System.out.println("-----------------------BROKEN-----------------------"
            +toString());
        }
    }


    @Override
    public synchronized String toString() {
        return "SafeGate{" +
                "counter=" + counter +
                ", name='" + name + '\'' +
                ", address='" + address + '\'' +
                '}';
    }
}

运行 & 测试

  • run
public static void main(String[] args) {
       Gate gate = new SafeGate();
       new UserThread(gate, "Apple", "Apple").start();
       new UserThread(gate, "Big", "Big").start();
       new UserThread(gate, "Cat", "Cat").start();
}
  • 运行结果
Big BEGIN!
Apple BEGIN!
Cat BEGIN!

结果分析

这次结果不会再出现错误的信息。
原因是什么呢?

  • synchronized 的作用
    第一个案例中提到,之所以出现问题,是因为 pass() 被个线程交错执行导致的。
    synchronized 可以保证此方法同时只能被一个线程执行。

  • synchronized 保护着什么?
    本案例中,pass() 被声明为 synchronized 之后,保护着 Gate 类中的 counter,name,address 三个字段。
    确保这些字段不会被多个线程同时访问。

  • 其他地方保护好了吗?
    上面的方法中,你应该发现 check() 方法并没有被声明为 synchronized。
    会存在问题吗?
    其实不会,原因如下:
    (1)此类为 private 方法,外部无法直接访问。
    (2)调用此类的方法 pass()是被声明为 synchronized 的。
    所需该类无需进行声明。
    当然就算加上也不算错,但是这样可能会降低性能。

UML & Code

  • UML
    类之间的关系:
    轻松学习多线程-02-Single Threaded Execution 模式_第1张图片

  • Code

代码地址

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