Java线程模型缺陷(3)

   对于读写锁的内部支持

  读写锁的概念应内置到 Java 编程语言中。读写器锁在“Taming Java Threads ”(和其它地方)中有详细讨论,概括地说:一个读写锁支持多个线程同时访问一个对象,但是在同一时刻只有一个线程可以修改此对象,并且在访问进行时不能修改。

  对于一个对象,应该只有在$writing 块中没有线程时,才支持多个线程进入 $reading 块。在进行读操作时,一个试图进入 $writing 块的线程会被阻断,直到读线程退出 $reading 块。 当有其它线程处于 $writing 块时,试图进入 $reading 或 $writing 块的线程会被阻断,直到此写线程退出 $writing 块。

  如果读和写线程都在等待,缺省情况下,读线程会首先进行。但是,可以使用$writer_priority 属性修改类的定义来改变这种缺省方式。

  访问部分创建的对象应是非法的

  当前情况下,JLS 允许访问部分创建的对象。例如,在一个构造函数中创建的线程可以访问正被创建的对象,既使此对象没有完全被创建。

  设置x 为 -1 的线程可以和设置 x 为 0 的线程同时进行。所以,此时 x 的值无法预测。

  对此问题的一个解决方法是,在构造函数没有返回之前,对于在此构造函数中创建的线程,既使它的优先级比调用new 的线程高,也要禁止运行它的 run() 方法。

  这就是说,在构造函数返回之前,start() 请求必须被推迟。

  另外,Java 编程语言应可允许构造函数的同步。换句话说,下面的代码(在当前情况下是非法的)会象预期的那样工作:

  我认为第一种方法比第二种更简洁,但实现起来更为困难。

  volatile关键字应象预期的那样工作

  JLS 要求保留对于 volatile 操作的请求。大多数 Java 虚拟机都简单地忽略了这部分内容,这是不应该的。在多处理器的情况下,许多主机都出现了这种问题,但是它本应由 JLS 加以解决的。如果您对这方面感兴趣,马里兰大学的 Bill Pugh 正在致力于这项工作(请参阅参考资料 )。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  或则,编译器应获得读/写锁的使用:

  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。

  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。

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