Java理論和實踐: 安全構造技術

Java 語言提供了靈活的、看上去很簡單的線程功能，使得您很容易在您的應用程式中使用多線程。然而，Java應用程式中的並發編程比看上去要複雜：在 Java 程式中，有一些微妙（也許並不是那麼微妙）方式會造成資料爭用（data race）以及並發問題。在這篇 Java 理論和實踐中，Brian探討了一個常見的線程方面的危險：在構造過程中，允許 this 引用逃脫（escape）。這個看上去沒有什麼危害的做法可以在 Java 程式中造成無法可預料和不期望的結果。

測試和調試多線程程式是極其困難的，因為並發性方面的危險常常不是以一致的方式顯現出來，甚至有時未必會顯現這種危險性。就線程問題的本質而言，大多數這些問題是無法預料的，甚至在某些平台上（如單一處理器系統），或者低於一定的負載，問題可能根本就不出現。由於測試多線程程式的正確性是如此困難，以及尋找錯誤是如此費時，因此從一開始開發應用程式就要在心中牢記線程的安全性，這一點就顯得尤為重要。在本文中，我們將研究一個特殊的安全執行緒方面的問題 ― 在構造過程中，允許 this 引用逃脫（我們稱之為 逃脫的引用問題） ― 該問題引起了一些未曾期望的結果。然後，為了編寫出安全執行緒的建構函式，我們給出一些準則。

遵循“安全構造”技術

剖析器來找出安全執行緒的違例是非常困難的，這需要專門的經驗。幸運的是（也許會感到吃驚），從一開始建立安全執行緒的類並不是那樣的困難，儘管這需要一種其它專門的技巧：規程。大多數並發性錯誤是來自程式員以方便、改善效能或只是一時的懶惰為名企圖違規而造成的。如許多其它並發性問題一樣，在編寫建構函式時，遵循一些簡單的規則就可以避免這個逃脫的引用問題。

危險的爭用狀態

大多數並發性危險歸根結底是由某類 資料爭用引起的。在多個線程或進程正在讀取和寫入一個共用資料項目時，會發生資料爭用或進入 爭用狀態 ，最終結果取決於這些線程的調度次序。清單 1 給出了一個簡單的資料爭用的樣本，其中程式可以列印 0 或者 1，這取決於對線程的調度。

清單 1. 簡單的資料爭用

public class DataRace {
　 static int a = 0;
　 public static void main() {
　　 new MyThread().start();
　　 a = 1;
　 }
　 public static class MyThread extends Thread {
　　 public void run() {
　　 public void run() {
　　　 System.out.println(a);
　　 }
　 }
}

可以立即調度第二個線程，列印 a 的初始值 0。另一種情形，第二個線程可能 不立即運行，則導致列印值 1。這個程式的輸出取決於您正在使用的 JDK、底層作業系統的發送器或者隨機計時構件。重複運行該程式，會得到不同的結果。

可見度危險

在清單 1 中，除了這個明顯的爭用 ― 第二個線程是在第一個線程將 a 置為 1 之前還是之後開始執行 ― 之外，實際上還有另一種資料爭用。第二種爭用是一種可見度方面的爭用：兩個線程沒有使用同步，而同步能保證線程之間資料更改的可見度。因為沒有同步，如果在第一個線程對 a 賦值完成之後，運行第二個線程，則第二個線程可能或 不可能立即看見第一個線程所做的更改。第二個線程可能看到 a 仍然為 0，即使第一個線程已經將值 1 賦給了 a。這種第二類的資料爭用（在沒有正確同步的情況下，兩個線程正在訪問同一變數）是一種複雜的問題，但幸運的是，每當讀取一個其它線程可能已寫過的變數，或者寫一個接下來可能會被其它線程讀取的變數時，使用同步就可以避免這類資料爭用。在這裡，我們不想進一步探討這類資料爭用，關於這類複雜問題，您可以參閱側欄 “用 Java Memory Model 同步”，也可以參閱 參考資料以擷取更多有關這類複雜問題的詳細資料。