使您轻松地进行多线程应用程序编程
2002 年 2 月 09 日
生产者-消费者方案是多线程应用程序开发中最常用的构造之一 ― 因此困难也在于此。因为在一个应用程序中可以多次重复生产者-消费者行为，其代码也可以如此。软件开发人员 Ze'ev Bubis 和 Saffi Hartal 创建了 Consumer 类，该类通过在一些多线程应用程序中促进代码重用以及简化代码调试和维护来解决这个问题。请通过单击本文顶部或底部的 讨论来参与本文的 论坛，与作者和其他读者分享您的想法。
多线程应用程序通常利用生产者-消费者编程方案，其中由生产者线程创建重复性作业，将其传递给作业队列，然后由消费者线程处理作业。虽然这种编程方法很有用，但是它通常导致重复的代码，这对于调试和维护可能是真正的问题。
为了解决这个问题并促进代码重用，我们创建了 Consumer 类。 Consumer 类包含所有用于作业队列和消费者线程的代码，以及使这两者能够结合在一起的逻辑。这使我们可以专注于业务逻辑 ― 关于应该如何处理作业的细节 ― 而不是专注于编写大量冗余的代码。同时，它还使得调试多线程应用程序的任务变得更为容易。
在本文中，我们将简单观察一下多线程应用程序开发中公共线程用法，同时，解释一下生产者-消费者编程方案，并研究一个实际的示例来向您演示 Consumer 类是如何工作的。请注意，对于多线程应用程序开发或消费者-生产者方案，本文不作深入介绍；有关那些主题，请参阅 参考资料获取文章的清单。
多线程是一种使应用程序能同时处理多个操作的编程技术。通常有两种不同类型的多线程操作使用多个线程：
- 适时事件，当作业必须在特定的时间或在特定的间隔内调度执行时
- 后台处理，当后台事件必须与当前执行流并行处理或执行时
适时事件的示例包括程序提醒、超时事件以及诸如轮询和刷新之类的重复性操作。后台处理的示例包括等待发送的包或等待处理的已接收的消息。
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生产者-消费者方案很适合于后台处理类别的情况。这些情况通常围绕一个作业“生产者”方和一个作业“消费者”方。当然，关于作业并行执行还有其它考虑事项。在大多数情况下，对于使用同一资源的作业，应以“先来先服务”的方式按顺序处理，这可以通过使用单线程的消费者轻松实现。通过使用这种方法，我们使用单个线程来访问单个资源，而不是用多个线程来访问单个资源。
要启用标准消费者，当作业到来时创建一个作业队列来存储所有作业。生产者线程通过将新对象添加到消费者队列来交付这个要处理的新对象。然后消费者线程从队列取出每个对象，并依次处理。当队列为空时，消费者进入休眠。当新的对象添加到空队列时，消费者会醒来并处理该对象。因为大多数应用程序喜欢顺序处理方式，所以消费者通常是单线程的。
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因为生产者-消费者方案很常用，所以在构建应用程序时它可能会出现几次，这导致了代码重复。我们认识到，这显示了在应用程序开发过程期间多次使用了生产者-消费者方案的问题。
当第一次需要生产者-消费者行为时，通过编写一个采用一个线程和一个队列的类来实现该行为。当第二次需要这种行为时，我们着手从头开始实现它，但是接着认识到以前已经做过这件事了。我们复制了代码并修改了处理对象的方式。当第三次在该应用程序中实现生产者-消费者行为时，很明显我们复制了太多代码。我们决定，需要一个适用的 Consumer 类，它将处理我们所有的生产者-消费者方案。
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我们创建 Consumer 类的目的是：在我们的应用程序中，消除这种代码重复 ― 为每个生产者-消费者实例编写一个新作业队列和消费者线程来解决这个问题。有了适当的 Consumer 类，我们所必须做的只是编写专门用于作业处理（业务逻辑）的代码。这使得我们的代码更清晰、更易于维护以及更改起来更灵活。
我们对 Consumer 类有如下需求：
- 重用：我们希望这个类包括所有东西。一个线程、一个队列以及使这两者结合在一起的所有逻辑。这将使我们只须编写队列中“消费”特定作业的代码。（因而，例如，程序员使用
Consumer类时，将重载onConsume(ObjectjobToBeConsumed)方法。）
- 队列选项：我们希望能够设置将由
Consumer对象使用的队列实现。但是，这意味着我们必须确保队列是线程安全的或使用一个不会与消费操作冲突的单线程生产者。无论使用哪种方法，都必须将队列设计成允许不同的进程能访问其方法。
- Consumer 线程优先级：我们希望能够设置
Consumer线程运行的优先级。
- Consumer 线程命名：线程拥有一个有意义的名称会比较方便，当然这的确有助于调试。例如，如果您向 Java 虚拟机发送了一个信号，它将生成一个完整的线程转储 ― 所有线程及其相应堆栈跟踪的快照。要在 Windows 平台上生成这个线程转储，您必须在 Java 程序运行的窗口中按下键序列
<ctrl><break>，或者单击窗口上的“关闭”按钮。有关如何使用完整的线程转储来诊断 Java 软件问题的更多信息，请参阅 参考资料。
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在 getThread() 方法中，我们使用“惰性创建”来创建 Consumer 的线程，如清单 1 所示：
清单 1. 创建 Consumer 的线程
/**
* Lazy creation of the Consumer's thread.
*
* @return the Consumer's thread
*/
private Thread getThread()
{
if (_thread==null)
{
_thread = new Thread()
{
public void run()
{
Consumer.this.run();
}
};
}
return _thread;
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该线程的 run() 方法运行 Consumer 的 run() 方法，它是主消费者循环，如清单 2 所示：
清单 2. run() 方法是主 Consumer 循环
/**
* Main Consumer's thread method.
*/
private void run()
{
while (!_isTerminated)
{
// job handling loop
while (true)
{
Object o;
synchronized (_queue)
{
if (_queue.isEmpty())
break;
o = _queue.remove();
}
if (o == null)
break;
onConsume(o);
}
// if we are not terminated and the queue is still empty
// then wait until new jobs arrive.
synchronized(_waitForJobsMonitor)
{
if (_isTerminated)
break;
if(_queue.isEmpty())
{
try
{
_waitForJobsMonitor.wait();
}
catch (InterruptedException ex)
{
}
}
}
}
}// run()
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基本上， Consumer 的线程一直运行，直到队列中不再有等待的作业为止。然后它进入休眠，只在第一次调用 add(Object) 时醒来，该方法向队列添加一个新作业并“踢”醒该线程。
使用 wait() 和 notify() 机制来完成“睡眠”和“踢”。实际的消费者工作由 OnConsume(Object) 方法处理，如清单 3 所示：
清单 3. 唤醒和通知 Consumer
/**
* Add an object to the Consumer.
* This is the entry point for the producer.
* After the item is added, the Consumer's thread
* will be notified.
*
* @param the object to be 'consumed' by this consumer
*/
public void add(Object o)
{
_queue.add(o);
kickThread();
}
/**
* Wake up the thread (without adding new stuff to consume)
*
*/
public void kickThread()
{
if (!this._thread.isInterrupted())
{
synchronized(_waitForJobsMonitor)
{
_waitForJobsMonitor.notify();
}
}
}
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为了向您展示 Consumer 类是如何工作的，我们将使用一个简单示例。 MessagesProcessor 类以异步方式处理进入的消息（也就是说，不干扰调用线程）。其工作是在每个消息到来时打印它。 MessagesProcessor 具有一个处理到来的消息作业的内部 Consumer 。当新作业进入空队列时， Consumer 调用 processMessage(String) 方法来处理它，如清单 4 所示：
清单 4. MessagesProcessor 类
class MessagesProcessor
{
String _name;
// anonymous inner class that supplies the consumer
// capabilities for the MessagesProcessor
private Consumer _consumer = new Consumer()
{
// that method is called on each event retrieved
protected void onConsume(Object o)
{
if (!(o instanceof String))
{
System.out.println("illegal use, ignoring");
return;
}
MessagesProcesser.this.processMessage((String)o);
}
}.setName("MessagesProcessor").init();
public void gotMessageEvent(String s)
{
_consumer.add(s);
}
private void processMessage(String s)
{
System.out.println(_name+" processed message: "+s);
}
private void terminate()
{
_consumer.terminateWait();
_name = null;
}
MessagesProcessor()
{
_name = "Example Consumer";
}
}
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正如您可以从上面的代码中所看到的，定制 Consumer 相当简单。我们使用了一个匿名内部类来继承 Consumer 类，并重载抽象方法 onConsume() 。因此，在我们的示例中，只需调用 processMessage 。
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除了开始时提出的基本需求以外，我们还为 Consumer 类提供了一些我们觉得有用的高级特性。
事件通知
- onThreadTerminate()：只在终止
Consumer前调用该方法。我们出于调试目的覆盖了这个方法。
- goingToRest()：只在 Consumer 线程进入休眠前调用该方法（也就是说，只在调用
_waitForJobsMonitor.wait()之前调用）。只在需要消费者在进入休眠之前处理一批已处理工作的复杂情况中，可能需要这种通知。
终止
- terminate()：Consumer 线程的异步终止。
- terminateWait()：设置调用线程一直等待，直到消费者线程实际终止为止。
在我们的示例中，如果使用 terminate() 而不是 terminateWait() ，那么将会出现问题，因为在将 _name 设置成空值之后调用 onConsume() 方法。这将导致执行 processMessage 的线程抛出一个 NullPointerException 。
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可在 参考资料一节下载 Consumer 类的源代码。请自由使用源代码，并按照您的需要扩展它。我们发现将这个类用于多线程应用程序开发有许多好处：
- 代码重用／重复代码的消除：如果您有
Consumer类，就不必为您应用程序中的每个实例编写一个新的消费者。如果在应用程序开发中频繁使用生产者-消费者方案，这可以很大程度地节省时间。另外，请牢记重复代码是滋生错误的沃土。它还使基本代码的维护更为困难。
- 更少错误：使用验证过的代码是一种防止错误的好实践，尤其是处理多线程应用程序时。因为
Consumer类已经被调试过，所以它更安全。消费者还通过在线程和资源之间担任安全中介来防止与线程相关的错误。消费者可以代表其它线程以顺序的方式访问资源。
- 漂亮、清晰的代码：使用
Consumer类有助于我们编写出更简单的代码，这样的代码更容易理解和维护。如果我们不使用Consumer类，就必须编写代码来处理两种不同的功能：消费逻辑（队列和线程管理、同步等）和指定消费者的用法或功能的代码。
多谢 Allot Communications 的 Jonathan Lifton 和 Dov Trietsch 对本文提供的帮助。
- 您可以参阅本文在 developerWorks 全球站点上的 英文原文.
- 请单击本文顶部或底部的 讨论参与本文的 论坛。
- 请下载 Consumer 类的源代码。请自由使用该源代码，并根据您的需要扩展它。
- Alex Roetter 的“ Writing multithreaded Java applications”（developerWorks，2001 年 2 月）很好地介绍了使用“Java 线程 API”来开发多线程应用程序。
- Brian Goetz 关于多线程的三部分系列文章（developerWorks，2001 年 7 月至 2001 年 9 月）提供了对于多线程应用程序开发中产生的某些公共问题的实用解决方案。请阅读整个系列文章：
- 如果 Allen Holub 是国王，那么 Java 语言在对多线程的支持方面将会经历许多重要的更改。关于这些更改的所有内容，请阅读他的 修改 Java 语言的线程模型的提议（developerWorks，2000 年 10 月）。
- Eric Allen 的专栏文章“ Diagnosing Java Code：The Orphaned Thread bug pattern”（developerWorks，2001 年 8 月）提供了关于多线程代码调试的提示。请注意 Eric 在其示例中使用了生产者-消费者方案。
- Java Developer Connection 为那些进行线程同步研究的人提供了一条有价值的线索。它的一个关键示例使用了 生产者-消费者方案。
- 如何在 Java 应用程序中支持已计划安排的事件？为了方便实现这一任务，Sun Microsystems 在 JDK 1.3 中引入了新的 Timer API。
- Java Developer Connection 的文章“ An Introduction to Java Stack Traces”向您展示了如何在堆栈跟踪中识别和收集线索，以解决您的 Java 软件问题。
- IBM Developer Kit for Linux，Java 技术版，版本 1.3提供了对多线程应用程序开发的完整支持。
- 在 developerWorks Java 技术专区中，关于 Java 编程的每个方面，您都可以找到数百篇文章。
