Java 提供了語(yǔ)言級(jí)別的線程支持，所以在 Java 中使用多線程相對(duì)于 C，C++ 來(lái)說(shuō)更簡(jiǎn)單便捷，但本文并不是介紹如何在 Java 中使用多線程來(lái)來(lái)解決諸如 Web services, Number crunching 或者 I/O processing 之類的問(wèn)題。在本文中，我們將討論如何實(shí)現(xiàn)一個(gè) Java 多線程的運(yùn)行框架以及我們是如何來(lái)控制線程的并發(fā)同步以及順序執(zhí)行的。

所面臨的問(wèn)題

這幅圖中節(jié)點(diǎn)代表一個(gè) single Thread，邊代表執(zhí)行的步驟。

整幅圖代表的意思是，ROOT 線程執(zhí)行完畢后執(zhí)行 T1 線程，T1 執(zhí)行完畢后并發(fā)的執(zhí)行 T2 和 T3。而從 T2 和 T3 指向 T4 的兩條邊表示的是 T4 必須等 T2 和 T3 都執(zhí)行完畢以后才能開(kāi)始執(zhí)行。剩下的步驟以此類推，直到 END 作為整個(gè)過(guò)程的結(jié)束。當(dāng)然，這只是個(gè)簡(jiǎn)略的示意圖，可能面對(duì)的一個(gè)線程場(chǎng)景會(huì)有上百個(gè)線程。還有，你可以觀察到這整個(gè)場(chǎng)景只有一個(gè)入口點(diǎn)和一個(gè)出口點(diǎn)，這意味著什么？在下文中為你解釋。

這其中涉及到了 Java 線程的同步互斥機(jī)制。例如如何讓 T1 在 T2 和 T3 之前運(yùn)行，如何讓 T2 和 T3 都執(zhí)行完畢之后開(kāi)啟 T4 線程。

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模型的描述

如何來(lái)描述圖 1 中所示的場(chǎng)景呢？可以采用 XML 的格式來(lái)描述我們的模型。我定義一個(gè)“Thread” element 來(lái)表示線程。

<ThreadList>
            <Thread ID = "thread-id" PRETHREAD = "prethread1, prethread2…"></Thread>
            <Thread ID = "thread-id" PRETHREAD = "prethread3, prethread4…"></Thread>
            </ThreadList>
            

其中 ID 是線程的唯一標(biāo)識(shí)符，PRETHREAD 便是該線程的直接先決線程的ID，每個(gè)線程 ID 之間用逗號(hào)隔開(kāi)。

在 Thread 這個(gè) element 里面可以加入你想要該線程執(zhí)行任務(wù)的具體信息。

實(shí)際上模型的描述是解決問(wèn)題非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，整個(gè)線程場(chǎng)景可以用一種一致的形式來(lái)描述，作為 Java 多線程并發(fā)控制框架引擎的輸入。也就是將線程運(yùn)行的模式用 XML 來(lái)描述出來(lái)，這樣只用改動(dòng) XML 配置文件就可以更改整個(gè)線程運(yùn)行的模式，不用改動(dòng)任何的源代碼。

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兩種實(shí)現(xiàn)機(jī)制

對(duì)于 Java 多線程的運(yùn)行框架來(lái)說(shuō)，我們將采用“外”和“內(nèi)”的兩種模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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“外” - 主線程輪詢

Thread 是工作線程。ThreadEntry 是 Thread 的包裝類，prerequisite 是一個(gè) HashMap，它含有 Thread 的先決線程的狀態(tài)。如圖1中顯示的那樣，T4 的先決線程是 T2 和 T3，那么 prerequisite 中就包含 T2 和 T3 的狀態(tài)。TestScenario 中的 threadEntryList 中包含所有的 ThreadEntry。

TestScenario 作為主線程，作為一個(gè)“外”在的監(jiān)控者，不斷地輪詢 threadEntryList 中所有 ThreadEntry 的狀態(tài)，當(dāng) ThreadEntry 接受到 isReady 的查詢后查詢自己的 prerequisite，當(dāng)其中所有的先決線程的狀態(tài)為“正常結(jié)束時(shí)”，它便返回 ready，那么 TestScenario 便會(huì)調(diào)用 ThreadEntry 的 startThread() 方法授權(quán)該 ThreadEntry 運(yùn)行線程，Thread 便通過(guò) run() 方法來(lái)真正執(zhí)行線程。并在正常執(zhí)行完畢后調(diào)用 setPreRequisteState() 方法來(lái)更新整個(gè) Scenario，threadEntryList 中所有 ThreadEntry 中 prerequisite 里面含有該 Thread 的狀態(tài)信息為“正常結(jié)束”。

如圖 1 中所示的 T4 的先決線程為 T2 和 T3，T2 和 T3 并行執(zhí)行。如圖 4 所示，假設(shè) T2 先執(zhí)行完畢，它會(huì)調(diào)用 setPreRequisteState() 方法來(lái)更新整個(gè) Scenario， threadEntryList 中所有 ThreadEntry 中 prerequisite 里面含有該 T2 的狀態(tài)信息為“正常結(jié)束”。此時(shí)，T4 的 prerequisite 中 T2 的狀態(tài)為“正常結(jié)束”，但是 T3 還沒(méi)有執(zhí)行完畢，所以其狀態(tài)為“未完畢”。所以 T4 的 isReady 查詢返回為 false，T4 不會(huì)執(zhí)行。只有當(dāng) T3 執(zhí)行完畢后更新?tīng)顟B(tài)為“正常結(jié)束”后，T4 的狀態(tài)才為 ready，T4 才會(huì)開(kāi)始運(yùn)行。

其余的節(jié)點(diǎn)也以此類推，它們正常執(zhí)行完畢的時(shí)候會(huì)在整個(gè)的 scenario 中廣播該線程正常結(jié)束的信息，由主線程不斷地輪詢各個(gè) ThreadEntry 的狀態(tài)來(lái)開(kāi)啟各個(gè)線程。

這便是采用主控線程輪詢狀態(tài)表的方式來(lái)控制 Java 多線程運(yùn)行框架的實(shí)現(xiàn)方式之一。

優(yōu)點(diǎn)：概念結(jié)構(gòu)清晰明了，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。避免采用 Java 的鎖機(jī)制，減少產(chǎn)生死鎖的幾率。當(dāng)發(fā)生異常導(dǎo)致其中某些線程不能正常執(zhí)行完畢的時(shí)候，不會(huì)產(chǎn)生掛起的線程。

缺點(diǎn)：采用主線程輪詢機(jī)制，耗費(fèi) CPU 時(shí)間。當(dāng)圖中的節(jié)點(diǎn)太多的(n>??? 而線程單個(gè)線程執(zhí)行時(shí)間比較短的時(shí)候 t<??? 需要進(jìn)一步研究)時(shí)候會(huì)產(chǎn)生線程啟動(dòng)的些微延遲，也就是說(shuō)實(shí)時(shí)性能在極端情況下不好，當(dāng)然這可以另外寫(xiě)一篇文章來(lái)專門(mén)探討。

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“內(nèi)” - wait&notify

相對(duì)于“外”-主線程輪詢機(jī)制來(lái)說(shuō)，“內(nèi)”采用的是自我控制連鎖觸發(fā)機(jī)制。

Thread 中的 lock 為當(dāng)前 Thread 的 lock，lockList 是一個(gè) HashMap，持有其后繼線程的 lock 的引用，getLock 和 setLock 可以對(duì) lockList 中的 Lock 進(jìn)行操作。其中很重要的一個(gè)成員是 waitForCount，這是一個(gè)引用計(jì)數(shù)。表明當(dāng)前線程正在等待的先決線程的個(gè)數(shù)，例如圖 1 中所示的 T4，在初始的情況下，他等待的先決線程是 T2 和 T3，那么它的 waitForCount 等于 2。

當(dāng)整個(gè)過(guò)程開(kāi)始運(yùn)行的時(shí)候，我們將所有的線程 start，但是每個(gè)線程所持的 lock 都處于 wait 狀態(tài)，線程都會(huì)處于 waiting 的狀態(tài)。此時(shí)，我們將 root thread 所持有的自身的 lock notify，這樣 root thread 就會(huì)運(yùn)行起來(lái)。當(dāng) root 的 run 方法執(zhí)行完畢以后。它會(huì)檢查其后續(xù)線程的 waitForCount，并將其值減一。然后再次檢查 waitForCount，如果 waitForCount 等于 0，表示該后續(xù)線程的所有先決線程都已經(jīng)執(zhí)行完畢，此時(shí)我們 notify 該線程的 lock，該后續(xù)線程便可以從 waiting 的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成為 running 的狀態(tài)。然后這個(gè)過(guò)程連鎖遞歸的進(jìn)行下去，整個(gè)過(guò)程便會(huì)執(zhí)行完畢。

我們還是以 T2，T3，T4 為例，當(dāng)進(jìn)行 initThreadLock 過(guò)程的時(shí)候，我們可以知道 T4 有兩個(gè)直接先決線程 T2 和 T3，所以 T4 的 waitForCount 等于 2。我們假設(shè) T3 先執(zhí)行完畢，T2 仍然在 running 的狀態(tài)，此時(shí)他會(huì)首先遍歷其所有的直接后繼線程，并將他們的 waitForCount 減去 1，此時(shí)他只有一個(gè)直接后繼線程 T4，于是 T4 的 waitForCount 減去 1 以后值變?yōu)?1，不等于 0，此時(shí)不會(huì)將 T4 的 lock notify，T4 繼續(xù) waiting。當(dāng) T2 執(zhí)行完畢之后，他會(huì)執(zhí)行與 T3 相同的步驟，此時(shí) T4 的 waitForCount 等于 0，T2 便 notify T4 的 lock，于是 T4 從 waiting 狀態(tài)轉(zhuǎn)換成為 running 狀態(tài)。其他的節(jié)點(diǎn)也是相似的情況。

當(dāng)然，我們也可以將整個(gè)過(guò)程的信息放在另外的一個(gè)全局對(duì)象中，所有的線程都去查找該全局對(duì)象來(lái)獲取各自所需的信息，而不是采取這種分布式存儲(chǔ)的方式。

優(yōu)點(diǎn)：采用 wait&notify 機(jī)制而不采用輪詢的機(jī)制，不會(huì)浪費(fèi)CPU資源。執(zhí)行效率較高。而且相對(duì)于“外”-主線程輪詢的機(jī)制來(lái)說(shuō)實(shí)時(shí)性更好。

缺點(diǎn)：采用 Java 線程 Object 的鎖機(jī)制，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為復(fù)雜。而且采取一種連鎖觸發(fā)的方式，如果其中某些線程異常，會(huì)導(dǎo)致所有其后繼線程的掛起而造成整個(gè) scenario 的運(yùn)行失敗。為了防止這種情況的發(fā)生，我們還必須建立一套線程監(jiān)控的機(jī)制來(lái)確保其正常運(yùn)行。

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延伸

下面的圖所要表達(dá)的是這樣一種遞歸迭代的概念。例如在圖1 中展示的那樣，T1 這個(gè)節(jié)點(diǎn)表示的是一個(gè)線程。現(xiàn)在，忘掉線程這樣一個(gè)概念，將 T1 抽象為一個(gè)過(guò)程，想象它是一個(gè)銀河系，深入到 T1 中去，它也是一個(gè)許多子過(guò)程的集合，這些子過(guò)程之間的關(guān)系模式就如圖 1 所示那樣，可以用一個(gè)圖來(lái)表示。

可以想象一下這是怎樣的一個(gè)框架，具有無(wú)窮擴(kuò)展性的過(guò)程框架，我們只用定義各個(gè)過(guò)程之間的關(guān)系，我們不用關(guān)心過(guò)程是怎樣運(yùn)行的。事實(shí)上，可以在最終的節(jié)點(diǎn)上指定一個(gè)實(shí)際的工作，比如讀一個(gè)文件，或者submit一個(gè)JCL job，或者執(zhí)行一條sql statement。

其實(shí)，按照某種遍歷規(guī)則，完全可以將這種嵌套遞歸的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成為一個(gè)一層扁平結(jié)構(gòu)的圖，而不是原來(lái)的分層的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但是我們不這樣做的原因是基于以下的幾點(diǎn)考慮：

1. 如果這樣做，會(huì)導(dǎo)致圖節(jié)點(diǎn)太多，邊太多，令人眼花繚亂。
2. 不這樣做更主要的原因是每一個(gè)場(chǎng)景，如圖 7 中的 T1，T13，是狀態(tài)聚集的一個(gè)單元，具有高復(fù)用性和可靠性。
3. 框架是高度抽象的，它實(shí)際的執(zhí)行可以是分布式的，一個(gè)單元可以是一個(gè)系統(tǒng)，作為和其他系統(tǒng)的分界標(biāo)志。

實(shí)際上，這是一個(gè)狀態(tài)聚集的層次控制框架，我們可以依賴此框架來(lái)執(zhí)行自主運(yùn)算。我們將在其它的文章中來(lái)討論它的應(yīng)用。

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總結(jié)

本文介紹了一種 Java 多線程并發(fā)控制的框架，并給出了其兩種實(shí)現(xiàn)的模型，它們有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，有各自的適用范圍。當(dāng)需要進(jìn)行 Java 線程的并發(fā)控制的時(shí)候，可以作為參考。