这个 Java 线程锁定概念不好吗？

Question

我将尝试通过示例简要解释我提出的线程锁定概念。考虑以下示例程序。

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        Data data = new Data();

        while (true) {
            doStuff();
            doStuff();

            for (int i = 0; i < 256; i++) {
                System.out.println("Data " + i + ": " + data.get(i));
            }

            doStuff();
            doStuff();

            for (int i = 0; i < 256; i++) {
                data.set(i, (byte) (data.get(i) + 1));
            }

            doStuff();
            doStuff();
        }
    }

    public static void doStuff() {
        try {
            Thread.sleep(10);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

public class Data {
    private final byte[] data = new byte[256];

    public byte get(int i) {
        return data[i];
    }

    public void set(int i, byte data) {
        this.data[i] = data;
    }
}

重要的是只有主线程修改data。现在我想让打印 data 异步的循环。

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
        Data data = new Data();

        while (true) {
            doStuff();
            doStuff();

            executorService.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < 256; i++) {
                        System.out.println("Data " + i + ": " + data.get(i));
                    }
                }
            });

            doStuff();
            doStuff();

            for (int i = 0; i < 256; i++) {
                data.set(i, (byte) (data.get(i) + 1));
            }

            doStuff();
            doStuff();
        }
    }

将任务提交给 executorService 后，主线程现在可以按需要继续工作。问题是，主线程可能会在打印之前到达它修改 data 的地步，但是应该在提交时打印 data 的状态。

我知道在这种情况下我可以在提交之前创建一份 data 的副本，但我真的不想这样做。请记住，这只是一个示例，在实际代码中复制可能是一项昂贵的操作。

这是我针对这个问题提出的解决方案。

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
        Data data = new Data();
        Lock lock = new Lock(); // <---------------

        while (true) {
            doStuff();
            doStuff();

            lock.lock(); // <---------------
            executorService.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < 256; i++) {
                        System.out.println("Data " + i + ": " + data.get(i));
                    }

                    lock.unlock(); // <---------------
                }
            });

            doStuff();
            doStuff();

            lock.waitUntilUnlock(); // <---------------
            for (int i = 0; i < 256; i++) {
                data.set(i, (byte) (data.get(i) + 1));
            }

            doStuff();
            doStuff();
        }
    }

public class Lock {
    private final AtomicInteger lockCount = new AtomicInteger();

    public void lock() {
        lockCount.incrementAndGet();
    }

    public synchronized void unlock() {
        lockCount.decrementAndGet();
        notifyAll();
    }

    public synchronized void waitUntilUnlock() {
        while (lockCount.get() > 0) {
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {

            }
        }
    }
}

现在主线程可以在提交后继续处理其他内容 data。至少它可以直到它到达修改 data.

的地步

问题：这是好设计还是坏设计？或者对于这个问题有更好的（已经存在的）实现吗？

请注意，ReentrantLock 在这种情况下不起作用。我必须在主线程上提交之前锁定并释放执行线程上的锁。

Answer 1

Java 具有更高级别的同步抽象。一般来说，你应该真正避免 wait() 和 notifyAll()，它们太低级和复杂以至于无法正确使用和阅读。

在这种情况下，您可以在两个线程之间使用共享阻塞队列（synchronous queue 看起来适合我）：

    ExecutorService executorService = Executors.newSingleThreadExecutor();
    Data data = new Data();
    SynchronousQueue queue = new SynchronousQueue();

    while (true) {
        doStuff();
        doStuff();

        executorService.submit(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i = 0; i < 256; i++) {
                    System.out.println("Data " + i + ": " + data.get(i));
                }
                queue.put(data);
            }
        });

        doStuff();
        doStuff();

        data = queue.take();
        for (int i = 0; i < 256; i++) {
            data.set(i, (byte) (data.get(i) + 1));
        }

        doStuff();
        doStuff();
    }

Answer 2

基本同步似乎已经很好地涵盖了这一点：doStuff 期望对数据具有唯一访问权限，大概这样它就可以安全地修改整个数据。同时，doPrint 期望在稳定的数据上运行。在这两种情况下，数据是控制访问的状态单元，适当的锁定技术是在被访问的数据实例上同步。

public void runningInThread1() {
    Data someData = getData(); // Obtain the data which this thread is using
    doStuff(someData); // Update the data
    // Looping and such omitted.
}

public void runningInThread2() {
    Data someData = getData();
    doPrint(someData); // Display the data
}

public void doStuff(Data data) {
    synchronized ( data ) {
        // Do some stuff to the data
    }
}

public void doPrint(Data data) {
    synchronized ( data ) {
        // Display the data
    }
}

或者，如果 doStuff 和 doPrint 作为 Data 的实例方法实现，则可以通过将 synchronized 关键字添加到实例方法。

Answer 3

你想让这个Data东西异步构建，主线程想要能够进行到某个点，就需要获取完成的对象。这就是 Futures 的用途，它为您提供对可能尚未完成的计算的引用。

将异步部分重写为 Callable，使其 returns 成为数据。

Callable<Integer> task = () -> {
    Data data = new Data();
    for (int i = 0; i < 256; i++) {
        System.out.println("Data " + i + ": " + data.get(i));
    }
    return data;
};

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);
Future<Data> future = executor.submit(task);
doStuff();
// ... main thread goes about its business

// when you get to a point where you need data, 
// you can block here until the computation is done
Data data = future.get();

通过这种方式，Future 可以确保数据对象在线程中可见。

Answer 4

我找到了解决该问题的另一种方法，它也回答了我对@JB Nizet 的回答的评论。 ExecutorService#submit(Runnable) returns a Future<?> 可用于等待任务准备就绪。如果多个提交应该是可能的，那么可以只创建一个 Queue<Future<?>> queue ，始终将 ExecutorService#submit(Runnable) 返回的 Future<?> 提供给 queue 并且在主线程应该等待的地方#poll().get()整个queue.

编辑：我在这里也找到了相关答案：

这个 Java 线程锁定概念不好吗？

Is this Java thread locking concept bad?

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locking

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