临界区与互斥

11．4．1　临界区与互斥

临界区模式（Critical Section Pattern）是指在一个共享范围中只让一个线程执行的模式。它是所有其他多线程设计模式的基础，这个模式叫临界区模式，如果把着眼点放在执行的线程上，这个模式就叫单线程执行模式。

Java为了实现同步机制提供了synchronized关键字，我们可以使用它来定义被同步的对象以及临界区，临界区的范围是由一组大括号来标识的。而进出临界区时必要的加锁和解锁操作则是由Java内置支持的。从功能上来说，我们可以认为左大括号起到enter（lock）的作用，而右大括号起到了exit（lock）的作用。下面代码片段演示了synchronized与互斥锁理论功能上的对应关系。

不同的线程操作在访问共享数据时，会因为交织进行而导致线程干扰和内存一致性错误。大多数Java语句在编译成伪代码后都由多条虚拟机指令组成，这使它们有可能被其他线程的语句所分割交织。不能分割交织的操作称为原子动作，这些动作一旦发生，便不能在中途停止，要么完全发生或者根本不发生，直至动作结束。前文所提到的＋＋操作不是一个原子动作。虽然大部分Java语句都不是原子动作，但是也有一些动作可以认定为是原子性的：

·引用类型变量值的读和写，注意这里是引用值的读和写，而不是所引用对象内容的读和写；

·除了long和double之外的简单类型的读和写；

·所有声明为volatile的变量的读和写，包括long和double类型以及引用类型。

使用原子变量访问要比使用互斥代码访问高效得多，但是需要程序员人为地避免内存一致性错误发生。是否需要额外措施避免这些错误往往取决于程序的规模和复杂度。除少数原子动作能同时避免线程干扰和内存一致性错误外，其他操作都需要互斥保护才能避免错误的发生。这些保护技术在Java语言中通过互斥方法和互斥代码实现。

互斥访问机制是建立在内部锁的实体概念上的。API规范通常称这种实体为“管程（monitor）”。内部锁在这两个问题的解决上扮演着重要的角色，它为线程对对象的状态进行强制排他性访问，并建立对于可视性至关重要的“发生过”关系。

每个对象都有一个内部锁与其对应。如果一个线程需要排他一致性访问对象的字段，它首先要在访问之前获得该对象的内部锁。当访问完成时需要释放该内部锁。线程在获得该锁和释放该锁期间称为拥有该锁。一旦线程拥有内部锁，其他任何线程都不能再获得该锁，它们在获得该锁时会被阻塞。

当线程释放该内部锁时，“发生过”关系就在该动作和同把锁的后继动作之间建立起来。创建互斥性操作的方法是互斥语句。在Java中，实现互斥语句的关键字叫synchronized（同步），互斥语句的语法格式如下：

这里lock是提供内部锁的对象。这个语句是互斥代码的一般写法。另外往往整个方法需要进行互斥，这时就有所谓互斥方法。互斥方法根据方法类型的不同分为实例互斥方法和静态互斥方法。实例互斥方法的例子如下：

互斥实例方法实际获得的是当前实例对象的内部锁，前面的这个实例方法相当于下面写法的互斥语句：

静态互斥方法的例子如下：

静态互斥方法实际获得的是当前类Class对象的内部锁，前面这个静态方法相当于下面写法的互斥语句：

互斥语句在互斥代码开始时获得对象的内部锁，在语句结束或互斥方法返回时释放锁。互斥语句块相对于互斥方法来说主要有两个作用：

·避免不必要的死锁；

·细化互斥的粒度。

注意：线程不能获得已经被另一线程所拥有的锁，但线程可以获取它已经拥有的锁。允许线程多次获取同一把锁使互斥方法可以重入，这样互斥代码就能直接或者间接调用另外有互斥代码的方法，而两处互斥代码可以使用同一把锁。如果没有互斥重入机制，我们需要非常小心的编码才能避免这种调用带来的死锁。

又如例11－2中，关于资源类定义：

当去掉add（）方法中的synchronized：

然后观察各线程取得的数值，并与例11－2运行结果对比。程序运行结果如下：

注意：构造函数是不能互斥的，在构造函数前使用synchronized关键字是语法错误。互斥构造函数没有任何意义，因为在其构造时，只有创建该对象的线程可以访问它。并且，final字段的访问是不需要互斥的。