Java多線程并發(fā)系統(tǒng)中的安全性與公平性麻孜寧，伊浩，李祥摘耍：多線程MJava的一個(gè)垂耍方法.特別有利干在程序中實(shí)現(xiàn)并發(fā)任務(wù)。Jax提供Thea”程類.實(shí)現(xiàn)紐程的并發(fā)機(jī)制，然而.程序的并發(fā)執(zhí)行必定會(huì)出現(xiàn)多個(gè)線程互斥訪何臨界資源的局面因而并發(fā)系統(tǒng)解決的關(guān)鍵就是對臨界資源的管理和分配問題.而在進(jìn)行臨界資源分配時(shí)有兩方而需要考.電.即安全性和公平性.文中肖先討論了多線程并發(fā)系統(tǒng)中的安全性與公平性何趣.捐出安全性與公平件在井發(fā)系統(tǒng)中訪問臨界資源時(shí)的重耍性.并通過火車行駛單行腿道的實(shí)例.演示各種條件卜的行駛怖況來進(jìn)一步說明該問題.0引言：并發(fā)即多道程序在同一CPU上分時(shí)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)冬個(gè)任務(wù)同時(shí)執(zhí)行。但是系統(tǒng)的并發(fā)執(zhí)行必然會(huì)引起線程在訪何臨界資源時(shí)沖突的產(chǎn)生.即多個(gè)線程同一時(shí)刻申請?jiān)L問資源。因而并發(fā)系統(tǒng)需杵要解決的就是對臨界資源的管理和分配。然而在進(jìn)行臨界資源分配時(shí)有兩方面需要，考慮.即安全性和公平性。文中通過火車行駛單行隧道的實(shí)例演示….模擬并種借〉兄卜所產(chǎn)生的結(jié)果來進(jìn)一步說明并發(fā)系統(tǒng)中安全性與公平性的重要性，fiillUava中對多線程的并發(fā)控制應(yīng)該做到公平性和安全陛的理想兼容兩方而都不可忽視。1并發(fā)系統(tǒng)的概念：并發(fā)f通俗地講.就是在某一時(shí)段同時(shí)發(fā)生幾件事的現(xiàn)象.這是生活中很常見的。但是在計(jì)越機(jī)系統(tǒng)中.并發(fā)是相對于多道程序分時(shí)地運(yùn)行在同i個(gè)CPU上而言的。如果在單CPU下同時(shí)運(yùn)行幾道程序.那么在宏觀上這幾道程序 是同時(shí)向前推進(jìn)，但從微觀上觀察.則是由單CPI:按照時(shí)何片輪流執(zhí)行每個(gè)程序的一小部分代碼，使每個(gè)程序都運(yùn)行到程序的開始與結(jié)束之間的某一處。從邏輸上講.這幾道程序都在運(yùn)行■但從CPU的執(zhí)行軌跡上觀跖卻是輪地為每個(gè)程序執(zhí)行一段時(shí)間.循環(huán)往宜.宜到所有程序依次完成。目前使用的訃算機(jī)幾乎都是笊的機(jī)器.但是都能同時(shí)完成幾件不同的工作，就是岡為采用YCPU分時(shí)原理.因此邏2白上的并行稱之為〃并發(fā)為了握高系統(tǒng)的吞葉實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)同時(shí)執(zhí)行，在20世紀(jì)60年代捉出了進(jìn)程的概念.每個(gè)進(jìn)程代表一個(gè)獨(dú)立的任是系統(tǒng)可以進(jìn)行分配調(diào)度的基木爪位。到80年代中期.人們又提出「比進(jìn)程更小的能獨(dú)立運(yùn)行的基木單位一一線程13.用它來提高系統(tǒng)內(nèi)程序并發(fā)執(zhí)行的速度.從而可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的吞葉5b線程的引入減少了程序并發(fā)執(zhí)行時(shí)所付出的時(shí)空開銷，使操作系統(tǒng)具有更好的并發(fā)性。線程是進(jìn)程中的一個(gè)實(shí)體.是被系統(tǒng)獨(dú)立調(diào)度和分配的基木爪位。箏線程的核t2，在于婪個(gè)代碼塊并發(fā)執(zhí)行.本質(zhì)待點(diǎn)在于各代碼塊之間的代碼是亂序執(zhí)行的。Java中的多線程并發(fā)執(zhí)行中的安全性與公平性：Java提供了線程類Thread.其中垂要方法是nmQ它為Thread類中的start0方法所調(diào)用.提供線程所要執(zhí)行的代碼。建立線程有兩種方法：繼承Thread類和實(shí)現(xiàn)Runnable接口。Java〉供了線程類Thread-實(shí)現(xiàn)了多線程并發(fā)執(zhí)行機(jī)制.在Java程序并發(fā)執(zhí)行中.必定會(huì)出現(xiàn)女個(gè)線程互斥訪問臨界資源的局面岡而并發(fā)系統(tǒng)^要解決的關(guān)犍就是 對臨界資源的管理和分配同一時(shí)刻只有一個(gè)線程能夠訪問臨界資源。然而在進(jìn)行臨界資源分配時(shí)有兩方而需要 考慮.即公平性和安全性。一方對申請?jiān)L問臨界資源的所有線程要公平對待.不能對部分線程優(yōu)先考慮，使一些線程氏時(shí)間獨(dú)占資源.而使其它的線程進(jìn)行K時(shí)間的等待.得不到資源"另一方面，在考慮了公平性的同時(shí)，也不能忽視了安全性的考慮.出現(xiàn)某一個(gè)線程訪問臨界資源.致使程序不能正常運(yùn)行，產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。在Java中對多線程的并發(fā)控制應(yīng)該做到公平性和安全性的理想兼容.兩方而都不町忽視。并發(fā)系統(tǒng)的公平性使得資源任多線程之間得到相為科學(xué)和合理的分配.安全性保證了各線程的正常調(diào)度運(yùn)行.從而使程序順利地執(zhí)行結(jié)束，完成任務(wù)。Java中多線程并發(fā)系統(tǒng)的安全性與公平性的具：具體實(shí)現(xiàn)，對于多線程并發(fā)系統(tǒng)中的安全性，應(yīng)該做好對臨界資源的管理，以及對其訪問情況的監(jiān)琶，充分保證在臨界資源空閑時(shí)才能被線程申請使用.即使?fàn)奚c(diǎn)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間.也要保正程序的正常執(zhí)行。下面以一個(gè)筍線程并發(fā)訪問臨界資源的例子來具體說明并發(fā)系統(tǒng)中的公平性和安全性問題。3.1問題描述如圖1所示，在單行隧逍中每次只能容納一列火午行駛 .木程序就是控制使兩邊的火午都能安全地通過隧道。如果火乍來自同一個(gè)方向.它們可以并行地安全通過隧道.但是如果是兩輛來自不同方向的火車，在隧道中相遇，就會(huì)發(fā)生沖突。

3.2功能實(shí)現(xiàn):本程序簡單模擬了上述問題，假設(shè)左邊是LeftTrain.右邊是RightTrmn，實(shí)現(xiàn)了火車為一.二.三列，以及分別考虎安全性和公平性的備種悄）兄的實(shí)）兄模擬.說明并發(fā)系統(tǒng)中的公平性與安全性的垂要性。3.3程序中安全性與公平性的實(shí)現(xiàn):3.3.1流程分析D假設(shè)兩邊各有三列Train,對每列Train建立一個(gè)線程（LeftTrain或RightTrain）.線程的執(zhí)行任務(wù)就是判斷隧道的狀態(tài)來完成Train的進(jìn)出隧道.保證互斥訪何隧道，使多個(gè)線程正常運(yùn)行。2）對于Train過隧道的控制有三種怙）：?只控制LeftTrain和RightTrain線程類的運(yùn)行.不監(jiān)控隧道的狀態(tài)由Tunnel類實(shí)現(xiàn)。?只保證Train互斥地通過單行隧道（安全性）.由SafeTunnel類實(shí)現(xiàn)它繼承TTunne1類。?既保證Train互斥通過隧道（安全性），又一定程度上保證了公平性.由FairTunnel類實(shí)現(xiàn)，它也繼承了Tunnel類。3〉4〉3〉4〉3.3.2幺界而的動(dòng)畫處理lIlTtmnelCanvas類實(shí)現(xiàn)。SafeTunnel.java的控制分析⑴多線程的并發(fā)運(yùn)行。在LeftTrain.java和RightTrain.java中主要實(shí)現(xiàn)了多線程的并發(fā)運(yùn)行（如圖2所示）。f申胃/韓放茵參些］單有隆浪ThesinglefiletunnelmutualexclusionofFig.2iscontrolledandpursuedf申胃/韓放茵參些］單有隆浪ThesinglefiletunnelmutualexclusionofFig.2iscontrolledandpursuedLEFtTrainandRightTraintwokindsofthreadcompetefortheresource(singlefiletunnelLine),atthreadkindsofoperationfunctionrun()in,while(true){ while(!display.moveLeft(id))://notonTunnel control?LeftEnter(): while(display.moveLeft(id))://moveoverrunnelcontro1.LeftExitO:決定了LeftTrain和RightTrain誰先申請到資源，誰先到達(dá)各自的申請資源線⑷，誰就先申請到并占資源。b）使用資源并實(shí)現(xiàn)互斥功能：該函數(shù)通過一個(gè)整型變量來控制該類線程個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn).C)判斷占用資源的線程是否應(yīng)該釋放資源：、”I該線程到達(dá)自己的釋放資源線(B)時(shí)就應(yīng)改釋放調(diào)該資源。d)執(zhí)行禪放資源的功能.并喚醒其它所有的線程。安全性保證。在SafeTunneljava中主要實(shí)現(xiàn)了資源的互斥訪問功能(安全，性)。在該資源中設(shè)有全局變KnLeft和“Right分別代表各類線程占用資源的個(gè)數(shù)。程序?qū)崿F(xiàn)如下所示。synchronizedvoidLeftEnter()throwsinterruptedExceptionf while(nRight>O)wait():nLeft++;}synchronizedvoidLeftExit(){p__Left-:if(nLeft==O)notifyALLO:}判斷另一類線程是否占用資源：如果“Right等于0說明沒有占用該資源.如果nRight大于0,說明另一類線程正在占用該資源.這樣就掛起木線程。釋放資源并喚醒線程：如果nLeft(nRight)等干零，就說明該類線程已經(jīng)全釋放了資源，重新喚屜所有線程繼續(xù)競爭資源，這樣就保證了女線程的延續(xù)性。synchronized的作用。Java提供「專門機(jī)制以解決這種沖突，即synchronized關(guān)鋌字它有效避免了同一個(gè)數(shù)據(jù)對儀被多個(gè)線程同時(shí)訪問。synchronized方法使每個(gè)類實(shí)例對，應(yīng)一把鎖，每個(gè)synchronized方法都必須獲得調(diào)用該方法的類實(shí)例的鎖方能執(zhí)行.否則所屬線程阻塞本程序就是使用第一種方法來實(shí)現(xiàn)對公共資源的互斥訪問。3<3.3關(guān)-TFairTunnel.java的控制分析：FairTunnel類是對SafeTunnel類的改進(jìn).在實(shí)現(xiàn)多線程并發(fā)執(zhí)行中的安全性的同時(shí).也保證「多個(gè)線程對資源訪何的公平性。privatehatnLeft:0-nRight=0.wai-ht=0,waitLeft=0;privatebooleanRightturn=true:synchronizedvoidLeftEnter()throwsInterruptedExceptionf++waitLeft: while(nPdght>0Il(waitiight>0&&R/ght-turn))wait():-waitLeft:++nLeft:}synchronizedvoidLeftExit(){-rllt: Righrtum=true:——if(nLeft=0)notifyALLO:}在這個(gè)類中引用了以下幾個(gè)公共變雖"*nLeft,nRight:代表占用資源的同類線程數(shù)：waitLeftwaitRight:代表巾請資源的同類線程數(shù)：*Rightturn：是一個(gè)時(shí)間片開關(guān)，它實(shí)現(xiàn)了兩邊的兩類線程公平地訪問資源.兩類線程申請資源獲得允許使用權(quán)力的時(shí)間片就是一列Train通過單行隧道的時(shí)間。掛起線程：忸_Right大于0時(shí)說明RightTram線程正在占用資源，牧a譏Right大于0時(shí)，說明有新的RightTrain線程將準(zhǔn)備使用資源.Rightturn等于說明RightTrain線程有權(quán)繼續(xù)使用資源。在上述情況下，掛起LeftTrain線程。、勺第一個(gè)使用資源的LeftTrain線程到達(dá)資源釋放處時(shí)使"Rightturn改為true使得LeftTrain線程失去申請資源獲得允許使用權(quán)力。釋放資源并喚焉爻線程：如"nLeft(nRight)等于家就說明該類線程已經(jīng)全釋放了資源，重新喚陌所有線程繼續(xù)競爭資源.這樣就保證了女線程的延續(xù)性。c)4結(jié)束語：文中簡單模擬火午行駛*1行隧道.通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)M了女線程并發(fā)系統(tǒng)中的安全性與公平性問題.分別演示r在不同情況下產(chǎn)生何種后果：只考慮安全性，將會(huì)有一類Train(LeftTram或者RightTrain)長時(shí)間等待.申請不到資源：只考.電公平性會(huì)出現(xiàn)兩邊火車相撞的怙〉兄。由此町充分認(rèn)識(shí)打到并發(fā)系統(tǒng)中的安全性與公平性二者的辨證關(guān)系.通過兩者的結(jié)合.設(shè)il解決實(shí)際問題的最優(yōu)方案。參考文獻(xiàn)：JMageeJ.KramerJ.Concurrency:StateModels&JavaProgramsfM].[s.1」：Willeypublishingcompany,1999EisenMB?SpellmaJlPT,BrownP0,etal?Clusteranalysisanddisplayofgenome-wideexpressionpatterns[A).Proc-Natl.Acad.SciUSA,95[CJ.USA:[S?n.]?199&148631486&?3]DudaR0.HartPE?PatternClassificatinandSceneAnalysiMJ.[S?I」JohnWileyandSorts,1973.XuYing,OlmanV,Xu