关于解决 Java 编程语言线程问题的建议（4）

访问的问题

如果缺少良好的访问控制，会使线程编程非常困难。大多数情况下，如果能保证线程只从同步子系统中调用，不必考虑线程安全(threadsafe)问题。我建议对
Java 编程语言的访问权限概念做如下限制；

应精确使用 package
关键字来限制包访问权。我认为当缺省行为的存在是任何一种计算机语言的一个瑕疵，我对现在存在这种缺省权限感到很迷惑（而且这种缺省是“包(package)”级别的而不是“私有(private)”）。
在其它方面，Java 编程语言都不提供等同的缺省关键字。虽然使用显式的 package
的限定词会破坏现有代码，但是它将使代码的可读性更强，并能消除整个类的潜在错误
(例如，如果访问权是由于错误被忽略，而不是被故意忽略)。


重新引入 private protected，它的功能应和现在的 protected
一样，但是不应允许包级别的访问。


允许 private private 语法指定“实现的访问”对于所有外部对象是私有的，甚至是当前对象是的同一个类的。对于“.”左边的唯一引用（隐式或显式）应是
this。


扩展 public 的语法，以授权它可制定特定类的访问。例如，下面的代码应允许
Fred 类的对象可调用 some_method()，但是对其它类的对象，这个方法应是私有的。


public(Fred) void some_method()
{
}




这种建议不同于 C++ 的 "friend" 机制。 在 "friend" 机制中，它授权一个类访问另一个类的所有私有部分。在这里，我建议对有限的方法集合进行严格控制的访问。用这种方法，一个类可以为另一个类定义一个接口，而这个接口对系统的其余类是不可见的。一个明显的变化是：


public(Fred, Wilma) void some_method()
{
}





除非域引用的是真正不变(immutable)的对象或 static final 基本类型，否则所有域的定义应是
private。 对于一个类中域的直接访问违反了 OO 设计的两个基本规则：抽象和封装。从线程的观点来看，允许直接访问域只使对它进行非同步访问更容易一些。



增加 $property 关键字。带有此关键字的对象可被一个“bean
盒”应用程序访问，这个程序使用在 Class 类中定义的反射操作(introspection) API，否则与 private private 同效。 $property
属性可用在域和方法，这样现有的 JavaBean getter/setter 方法可以很容易地被定义为属性。


不变性(immutability)

由于对不变对象的访问不需要同步，所以在多线程条件下，不变的概念（一个对象的值在创建后不可更改）是无价的。Java
编程言语中，对于不变性的实现不够严格，有两个原因：


对于一个不变对象，在其被未完全创建之前，可以对它进行访问。这种访问对于某些域可以产生不正确的值。


对于恒定 (类的所有域都是 final) 的定义太松散。对于由
final 引用指定的对象，虽然引用本身不能改变，但是对象本身可以改变状态。

第一个问题可以解决，不允许线程在构造函数中开始执行
(或者在构造函数返回之前不能执行开始请求)。


对于第二个问题，通过限定 final 修饰符指向恒定对象，可以解决此问题。这就是说，对于一个对象，只有所有的域是
final，并且所有引用的对象的域也都是 final，此对象才真正是恒定的。为了不打破现有代码，这个定义可以使用编译器加强，即只有一个类被显式标为不变时，此类才是不变类。方法如下：




$immutable public class Fred
{
// all fields in this class must be final, and if the
// field is a reference, all fields in the referenced
// class must be final as well (recursively).

static int x constant = 0; // use of `final` is optional when $immutable
// is present.
}





有了 $immutable 修饰符后，在域定义中的 final 修饰符是可选的。


最后，当使用内部类(inner class)后，在 Java 编译器中的一个错误使它无法可靠地创建不变对象。当一个类有重要的内部类时(我的代码常有)，编译器经常不正确地显示下列错误信息：

"Blank final variable ´name´ may not have been initialized.
It must be assigned a value in an initializer, or in every constructor."



既使空的 final 在每个构造函数中都有初始化，还是会出现这个错误信息。自从在
1.1 版本中引入内部类后，编译器中一直有这个错误。在此版本中（三年以后），这个错误依然存在。现在，该是改正这个错误的时候了。



对于类级域的实例级访问

除了访问权限外，还有一个问题，即类级（静态）方法和实例（非静态）方法都能直接访问类级（静态）域。这种访问是非常危险的，因为实例方法的同步不会获取类级的锁，所以一个
synchronized static 方法和一个 synchronized
方法还是能同时访问类的域。改正此问题的一个明显的方法是，要求在实例方法中只有使用
static 访问方法才能访问非不变类的 static
域。当然，这种要求需要编译器和运行时间检查。在这种规定下，下面的代码是非法的：

class Broken
{
static long x;

synchronized static void f()
{ x = 0;
}

synchronized void g()
{ x = -1;
}
};




由于 f() 和 g()
可以并行运行，所以它们能同时改变 x
的值（产生不定的结果）。请记住，这里有两个锁：static
方法要求属于 Class 对象的锁，而非静态方法要求属于此类实例的锁。当从实例方法中访问非不变 static 域时，编译器应要求满足下面两个结构中的任意一个：




class Broken
{
static long x;

synchronized private static aclearcase/" target="_blank" >ccessor( long value )
{ x = value;
}

synchronized static void f()
{ x = 0;
}

synchronized void g()
{ accessor( -1 );
}
}





或则，编译器应获得读/写锁的使用：



class Broken
{
static long x;

synchronized static void f()
{ $writing(x){ x = 0 };
}

synchronized void g()
{ $writing(x){ x = -1 };
}
}





另外一种方法是（这也是一种理想的方法）-- 编译器应自动使用一个读/写锁来同步访问非不变 static 域，这样，程序员就不必担心这个问题。

后台线程的突然结束

当所有的非后台线程终止后，后台线程都被突然结束。当后台线程创建了一些全局资源（例如一个数据库连接或一个临时文件），而后台线程结束时这些资源没有被关闭或删除就会导致问题。


对于这个问题，我建议制定规则，使 Java 虚拟机在下列情况下不关闭应用程序：


有任何非后台线程正在运行，或者：

有任何后台线程正在执行一个 synchronized 方法或 synchronized 代码块。


后台线程在它执行完 synchronized 块或 synchronized 方法后可被立即关闭。


重新引入 stop()、
suspend() 和 resume()
关键字

由于实用原因这也许不可行，但是我希望不要废除 stop() (在 Thread 和 ThreadGroup 中)。但是，我会改变 stop()
的语义，使得调用它时不会破坏已有代码。但是，关于 stop() 的问题，请记住，当线程终止后，stop()
将释放所有锁，这样可能潜在地使正在此对象上工作的线程进入一种不稳定（局部修改）的状态。由于停止的线程已释放它在此对象上的所有锁，所以这些对象无法再被访问。


对于这个问题，可以重新定义 stop() 的行为，使线程只有在不占有任何锁时才立即终止。如果它占据着锁，我建议在此线程释放最后一个锁后才终止它。
可以使用一个和抛出异常相似的机制来实现此行为。被停止线程应设置一个标志，并且当退出所有同步块时立即测试此标志。如果设置了此标志，就抛出一个隐式的异常，
但是此异常应不再能被捕捉并且当线程结束时不会产生任何输出。注意，微软的 NT 操作系统不能很好地处理一个外部指示的突然停止(abrupt)。（它不把
stop 消息通知动态连接库，所以可能导致系统级的资源漏洞。）这就是我建议使用类似异常的方法简单地导致 run() 返回的原因。


与这种和异常类似的处理方法带来的实际问题是，你必需在每个 synchronized
块后都插入代码来测试“stopped”标志。并且这种附加的代码会降低系统性能并增加代码长度。我想到的另外一个办法是使 stop()
实现一个“延迟的(lazy)”停止，在这种情况下，在下次调用 wait()
或 yield() 时才终止。我还想向 Thread
中加入一个 isStopped() 和 stopped() 方法
（此时，Thread 将像isInterrupted() 和 interrupted()
一样工作，但是会检测 “stop-requested”的状态)。这种方法不向第一种那样通用，但是可行并且不会产生过载。


应把 suspend() 和 resume() 方法放回到 Java
编程语言中，它们是很有用的，我不想被当成是幼儿园的小孩。由于它们可能产生潜在的危险（当被挂起时，一个线程可以占据一个锁）而去掉它们是没有道理的。请让我自己来决定是否使用它们。
如果接收的线程正占据着锁，Sun 公司应该把它们作为调用 suspend() 的一个运行时间异常处理(run-time exception)；或者更好的方法是，延迟实际的挂起过程，直到线程释放所有的锁。


被阻断的 I/O 应正确工作

应该能打断任何被阻断的操作，而不是只让它们 wait()
和 sleep()。我在“Taming Java Threads”的第二章中的 socket 部分讨论了此问题。但是现在，对于一个被阻断的 socket 上的
I/O 操作，打断它的唯一办法是关闭这个 socket，而没有办法打断一个被阻断的文件 I/O 操作。例如，一旦开始一个读请求并且进入阻断状态后，除非到它实际读出一些东西，
否则线程一直出于阻断状态。既使关掉文件句柄也不能打断读操作。


还有，程序应支持 I/O 操作的超时。所有可能出现阻断操作的对象（例如 InputStream 对象）也都应支持这种方法：

InputStream s = ...;
s.set_timeout( 1000 );





这和 Socket 类的 setSoTimeout(time)
方法是等价的。同样地，应该支持把超时作为参数传递到阻断的调用。


ThreadGroup 类

ThreadGroup 应该实现 Thread 中能够改变线程状态的所有方法。我特别想让它实现 join() 方法，这样我就可等待组中的所有线程的终止。


总结

以上是我的建议。就像我在标题中所说的那样，如果我是国王...（哎）。我希望这些改变（或其它等同的方法）最终能被引入
Java 语言中。我确实认为 Java 语言是一种伟大的编程语言；但是我也认为 Java 的线程模型设计得还不够完善，这是一件很可惜的事情。但是，Java
编程语言正在演变，所以还有可提高的前景。

参考资料

本文是对 Taming Java Threads 的更新摘编。该书
探讨了在 Java 语言中多线程编程的陷阱和问题，并提供了一个与线程相关的 Java 程序包来解决这些问题。


马里兰大学的 Bill Pugh 正在致力修改 JLS 来提高其线程模型。Bill 的提议并不如本文所推荐的那么广，他主要致力于让现有的线程模型以更为合理方式运行。更多信息可从 www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/ 获得。


从 Sun 网站可找到全部 Java 语言的规范。


要从一个纯技术角度来审视线程，参阅 Doug Lea 编著的 Concurrent Programming in Java: Design Principles and Patterns 第二版。这是本很棒的书，但是它的风格是非常学术化的并不一定适合所有的读者。对《Taming Java Threads》是个很好的补充读物。


由 Scott Oaks 和 Henry Wong 编写的 Java Threads 比 Taming Java Threads 要轻量些，但是如果您从未编写过线程程序这本书更为适合。Oaks 和 Wong 同样实现了 Holub 提供的帮助类，而且看看对同一问题的不同解决方案总是有益的。


由 Bill Lewis 和 Daniel J. Berg　编写的 Threads Primer: A Guide to Multithreaded Programming 是对线程(不限于 Java)的很好入门介绍。

Java 线程的一些技术信息可在 Sun 网站上找到。

在 "Multiprocessor Safety and Java" 中 Paul Jakubik 讨论了多线程系统的 SMP 问题。


作者简介

Allen Holub 从 1979 年起就开始致力于计算机行业。他在各种杂志
(Dr. Dobb´s Journal、Programmers Journal、 Byte、MSJ 和其它杂志) 上发表了大量的文章。他为网络杂志
JavaWorld 撰写 “Java
工具箱”专栏，也为 IBM
developerWorks 组件技术专区 撰写“OO-设计流程”栏目。他还领导着
ITWorld 编程理论和实践讨论组。


Allen 撰写了八本书籍，最近新出的一本讨论了 Java 线程的陷阱和缺陷《Taming Java Threads》。他长期从事设计和编制面向对象软件。从事了
8 年的 C++ 编程工作后，Allen 在 1996 年由 C++ 转向 Java。他现在视 C++ 为一个噩梦，其可怕的经历正被逐渐淡忘。他从 1982 年起就自己和为加利弗尼亚大学伯克利分校教授计算机编程（首先是
C，然后是 C++ 和 MFC，现在是面向对象设计和 Java）。 Allen 也提供 Java 和面向对象设计方面的公众课程和私授 (in-house) 课程。他还提供面向对象设计的咨询并承包 Java 编程项目。请通过此 Web 站点和 Allen 取得联系并获取信息：www.holub.com。

原文转自：http://www.ltesting.net