实现 Java 多线程并发控制框架
2006 年 8 月 14 日
Java 提供了语言级别的线程支持，所以在 Java 中使用多线程相对于 C，C++ 来说更简单便捷，但本文并不是介绍如何在 Java 中使用多线程来来解决诸如 Web services, Number crunching 或者 I/O processing 之类的问题。在本文中，我们将讨论如何实现一个 Java 多线程的运行框架以及我们是如何来控制线程的并发同步以及顺序执行的。
图 1. 线程场景
这幅图中节点代表一个 single Thread，边代表执行的步骤。
整幅图代表的意思是，ROOT 线程执行完毕后执行 T1 线程，T1 执行完毕后并发的执行 T2 和 T3。而从 T2 和 T3 指向 T4 的两条边表示的是 T4 必须等 T2 和 T3 都执行完毕以后才能开始执行。剩下的步骤以此类推，直到 END 作为整个过程的结束。当然，这只是个简略的示意图，可能面对的一个线程场景会有上百个线程。还有，你可以观察到这整个场景只有一个入口点和一个出口点，这意味着什么？在下文中为你解释。
这其中涉及到了 Java 线程的同步互斥机制。例如如何让 T1 在 T2 和 T3 之前运行，如何让 T2 和 T3 都执行完毕之后开启 T4 线程。
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如何来描述图 1 中所示的场景呢？可以采用 XML 的格式来描述我们的模型。我定义一个“Thread” element 来表示线程。
<ThreadList> <Thread ID = "thread-id" PRETHREAD = "prethread1, prethread2…"></Thread> <Thread ID = "thread-id" PRETHREAD = "prethread3, prethread4…"></Thread> </ThreadList> |
其中 ID 是线程的唯一标识符，PRETHREAD 便是该线程的直接先决线程的ID，每个线程 ID 之间用逗号隔开。
在 Thread 这个 element 里面可以加入你想要该线程执行任务的具体信息。
实际上模型的描述是解决问题非常重要的一个环节，整个线程场景可以用一种一致的形式来描述，作为 Java 多线程并发控制框架引擎的输入。也就是将线程运行的模式用 XML 来描述出来，这样只用改动 XML 配置文件就可以更改整个线程运行的模式，不用改动任何的源代码。
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对于 Java 多线程的运行框架来说，我们将采用“外”和“内”的两种模式来实现。
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图 2. 静态类图
Thread 是工作线程。ThreadEntry 是 Thread 的包装类，prerequisite 是一个 HashMap，它含有 Thread 的先决线程的状态。如图1中显示的那样，T4 的先决线程是 T2 和 T3，那么 prerequisite 中就包含 T2 和 T3 的状态。TestScenario 中的 threadEntryList 中包含所有的 ThreadEntry。
图 3. 线程执行场景
TestScenario 作为主线程，作为一个“外”在的监控者，不断地轮询 threadEntryList 中所有 ThreadEntry 的状态，当 ThreadEntry 接受到 isReady 的查询后查询自己的 prerequisite，当其中所有的先决线程的状态为“正常结束时”，它便返回 ready，那么 TestScenario 便会调用 ThreadEntry 的 startThread() 方法授权该 ThreadEntry 运行线程，Thread 便通过 run() 方法来真正执行线程。并在正常执行完毕后调用 setPreRequisteState() 方法来更新整个 Scenario，threadEntryList 中所有 ThreadEntry 中 prerequisite 里面含有该 Thread 的状态信息为“正常结束”。
图 4. 状态更改的过程
如图 1 中所示的 T4 的先决线程为 T2 和 T3，T2 和 T3 并行执行。如图 4 所示，假设 T2 先执行完毕，它会调用 setPreRequisteState() 方法来更新整个 Scenario， threadEntryList 中所有 ThreadEntry 中 prerequisite 里面含有该 T2 的状态信息为“正常结束”。此时，T4 的 prerequisite 中 T2 的状态为“正常结束”，但是 T3 还没有执行完毕，所以其状态为“未完毕”。所以 T4 的 isReady 查询返回为 false，T4 不会执行。只有当 T3 执行完毕后更新状态为“正常结束”后，T4 的状态才为 ready，T4 才会开始运行。
其余的节点也以此类推，它们正常执行完毕的时候会在整个的 scenario 中广播该线程正常结束的信息，由主线程不断地轮询各个 ThreadEntry 的状态来开启各个线程。
这便是采用主控线程轮询状态表的方式来控制 Java 多线程运行框架的实现方式之一。
优点：概念结构清晰明了，实现简单。避免采用 Java 的锁机制，减少产生死锁的几率。当发生异常导致其中某些线程不能正常执行完毕的时候，不会产生挂起的线程。
缺点：采用主线程轮询机制，耗费 CPU 时间。当图中的节点太多的(n>??? 而线程单个线程执行时间比较短的时候 t<??? 需要进一步研究)时候会产生线程启动的些微延迟，也就是说实时性能在极端情况下不好，当然这可以另外写一篇文章来专门探讨。
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相对于“外”-主线程轮询机制来说，“内”采用的是自我控制连锁触发机制。
图 5. 锁机制的静态类图
Thread 中的 lock 为当前 Thread 的 lock，lockList 是一个 HashMap，持有其后继线程的 lock 的引用，getLock 和 setLock 可以对 lockList 中的 Lock 进行操作。其中很重要的一个成员是 waitForCount，这是一个引用计数。表明当前线程正在等待的先决线程的个数，例如图 1 中所示的 T4，在初始的情况下，他等待的先决线程是 T2 和 T3，那么它的 waitForCount 等于 2。
图 6. 锁机制执行顺序图
当整个过程开始运行的时候，我们将所有的线程 start，但是每个线程所持的 lock 都处于 wait 状态，线程都会处于 waiting 的状态。此时，我们将 root thread 所持有的自身的 lock notify，这样 root thread 就会运行起来。当 root 的 run 方法执行完毕以后。它会检查其后续线程的 waitForCount，并将其值减一。然后再次检查 waitForCount，如果 waitForCount 等于 0，表示该后续线程的所有先决线程都已经执行完毕，此时我们 notify 该线程的 lock，该后续线程便可以从 waiting 的状态转换成为 running 的状态。然后这个过程连锁递归的进行下去，整个过程便会执行完毕。
我们还是以 T2，T3，T4 为例，当进行 initThreadLock 过程的时候，我们可以知道 T4 有两个直接先决线程 T2 和 T3，所以 T4 的 waitForCount 等于 2。我们假设 T3 先执行完毕，T2 仍然在 running 的状态，此时他会首先遍历其所有的直接后继线程，并将他们的 waitForCount 减去 1，此时他只有一个直接后继线程 T4，于是 T4 的 waitForCount 减去 1 以后值变为 1，不等于 0，此时不会将 T4 的 lock notify，T4 继续 waiting。当 T2 执行完毕之后，他会执行与 T3 相同的步骤，此时 T4 的 waitForCount 等于 0，T2 便 notify T4 的 lock，于是 T4 从 waiting 状态转换成为 running 状态。其他的节点也是相似的情况。
当然，我们也可以将整个过程的信息放在另外的一个全局对象中，所有的线程都去查找该全局对象来获取各自所需的信息，而不是采取这种分布式存储的方式。
优点：采用 wait¬ify 机制而不采用轮询的机制，不会浪费CPU资源。执行效率较高。而且相对于“外”-主线程轮询的机制来说实时性更好。
缺点：采用 Java 线程 Object 的锁机制，实现起来较为复杂。而且采取一种连锁触发的方式，如果其中某些线程异常，会导致所有其后继线程的挂起而造成整个 scenario 的运行失败。为了防止这种情况的发生，我们还必须建立一套线程监控的机制来确保其正常运行。
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下面的图所要表达的是这样一种递归迭代的概念。例如在图1 中展示的那样，T1 这个节点表示的是一个线程。现在，忘掉线程这样一个概念，将 T1 抽象为一个过程，想象它是一个银河系，深入到 T1 中去，它也是一个许多子过程的集合，这些子过程之间的关系模式就如图 1 所示那样，可以用一个图来表示。
图 7. 嵌套子过程
可以想象一下这是怎样的一个框架，具有无穷扩展性的过程框架，我们只用定义各个过程之间的关系，我们不用关心过程是怎样运行的。事实上，可以在最终的节点上指定一个实际的工作，比如读一个文件，或者submit一个JCL job，或者执行一条sql statement。
其实，按照某种遍历规则，完全可以将这种嵌套递归的结构转化成为一个一层扁平结构的图，而不是原来的分层的网状结构，但是我们不这样做的原因是基于以下的几点考虑：
- 如果这样做，会导致图节点太多，边太多，令人眼花缭乱。
- 不这样做更主要的原因是每一个场景，如图 7 中的 T1，T13，是状态聚集的一个单元，具有高复用性和可靠性。
- 框架是高度抽象的，它实际的执行可以是分布式的，一个单元可以是一个系统，作为和其他系统的分界标志。
实际上，这是一个状态聚集的层次控制框架，我们可以依赖此框架来执行自主运算。我们将在其它的文章中来讨论它的应用。
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本文介绍了一种 Java 多线程并发控制的框架，并给出了其两种实现的模型，它们有各自的优缺点，有各自的适用范围。当需要进行 Java 线程的并发控制的时候，可以作为参考。
- developerWorks Java 专区 Peter Haggar 的文章：Apply the Specific Notification pattern to control the order of thread execution
- Doug Lea 的著名并发性图书：Java 并发编程: 设计原则与模式. 第二版(Addison Wesley 1999)
- 另一本关于并发性的图书：Java Concurrency in Practice
- developerWorks Java 专区 Joseph Hartal，Ze'ev Bubis 的文章：使你轻松得进行多线程应用程序编程
- developerWorks Java 专区 Alex Roetter 的文章：编写多线程的Java应用程序
- developerWorks Java 专区 Neel V. Kumar 的文章：Java 程序中的多线程
