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关于多线程同步的初步教程－－Metux的设计及使用

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发布日期：2007年04月13日浏览次数：6次

Mutex是互斥体，广泛地应用在多线程编程中。本文以广为流程的Doug Lea的concurrent工具包的Mutex实现为例，进行一点探讨。在Doug Lea的concurrent工具包中，Mutex实现了Sync接口，该接口是concurrent工具包中所有锁（lock）、门（gate）和条件变量（condition）的公共接口，Sync的实现类主要有：Mutex、Semaphore及其子类、Latch、CountDown、ReentrantLock等。这也体现了面向抽象编程的思想，使我们可以在不改变代码或者改变少量代码的情况下，选择使用Sync的不同实现。下面是Sync接口的定义：

public interface Sync {
public void acquire() throws InterruptedException; //获取许可
public boolean attempt(long msecs) throws InterruptedException; //尝试获取许可
public void release(); //释放许可
}

通过使用Sync可以替代Java synchronized关键字，并提供更加灵活的同步控制。当然，并不是说concurrent工具包是和Java synchronized独立的技术，其实concurrent工具包也是在synchronized的基础上搭建的，从下面对Mutex源码的解析即可以看到这一点。synchronized关键字仅在方法内或者代码块内有效，而使用Sync却可以跨越方法甚至通过在对象之间传递，跨越对象进行同步。这是Sync及concurrent工具包比直接使用synchronized更加强大的地方。
注意Sync中的acquire()和attempt()都会抛出InterruptedException，所以使用Sync及其子类时，调用这些方法一定要捕获InterruptedException。而release()方法并不会抛出InterruptedException，这是因为在acquire()和attempt()方法中可能会调用wait（）等待其它线程释放锁。而release()在实现上进行了简化，直接释放锁，不管是否真的持有。所以，你可以对一个并没有acquire()的线程调用release()这也不会有什么问题。而由于release()不会抛出InterruptedException，所以我们可以在catch或finally子句中调用release()以保证获得的锁能够被正确释放。比如：

class X {
Sync gate;
// ...
public void m() {
try {
gate.acquire(); // block until condition holds
try {
// ... method body
}
finally {
gate.release();
}
}
catch (InterruptedException ex) {
// ... evasive action
}
}
}

Mutex是一个非重入的互斥锁。Mutex广泛地用在需要跨越方法的before/after类型的同步环境中。下面是Doug Lea的concurrent工具包中的Mutex的实现。

public class Mutex implements Sync {
/** The lock status **/
protected boolean inuse_ = false;
public void acquire() throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException(); //(1)
synchronized(this) {
try {
while (inuse_) wait();
inuse_ = true;
}
catch (InterruptedException ex) { //(2)
notify();
throw ex;
}
}
}
public synchronized void release() {
inuse_ = false;
notify();
}
public boolean attempt(long msecs) throws InterruptedException {
if (Thread.interrupted()) throw new InterruptedException();
synchronized(this) {
if (!inuse_) {
inuse_ = true;
return true;
}
else if (msecs <= 0)
return false;
else {
long waitTime = msecs;
long start = System.currentTimeMillis();
try {
for (;;) {
wait(waitTime);
if (!inuse_) {
inuse_ = true;
return true;
}
else {
waitTime = msecs - (System.currentTimeMillis() - start);
if (waitTime <= 0) // (3)
return false;
}
}
}
catch (InterruptedException ex) {
notify();
throw ex;
}
}
}
}
}

    为什么要在acquire()和attempt(0方法的开始都要检查当前线程的中断标志呢？这是为了在当前线程已经被打断时，可以立即返回，而不会仍然在锁标志上等待。调用一个线程的interrupt()方法根据当前线程所处的状态，可能产生两种不同的结果：当线程在运行过程中被打断，则设置当前线程的中断标志为true；如果当前线程阻塞于wait()、sleep()、join()，则当前线程的中断标志被清空，同时抛出InterruptedException。所以在上面代码的位置（2）也捕获了InterruptedException，然后再次抛出InterruptedException。
    release()方法简单地重置inuse_标志，并通知其它线程。
    attempt()方法是利用Java的Object.wait(long)进行计时的，由于Object.wait(long)不是一个精确的时钟，所以attempt(long)方法也是一个粗略的计时。注意代码中位置（3），在超时时返回。
    Mutex是Sync的一个基本实现，除了实现了Sync接口中的方法外，并没有添加新的方法。所以，Mutex的使用和Sync的完全一样。在concurrent包的API中Doug给出了一个精细锁定的List的实现示例，我们这儿也给出，作为对Mutex和Sync使用的一个例子：

class Node {
Object item;
Node next;
Mutex lock = new Mutex(); // 每一个节点都持有一个锁
Node(Object x, Node n) { item = x; next = n; }
}
class List {
protected Node head; // 指向列表的头
// 使用Java的synchronized保护head域
// (我们当然可以使用Mutex，但是这儿似乎没有这样做的必要
protected synchronized Node getHead() { return head; }
boolean search(Object x) throws InterruptedException {
Node p = getHead();
if (p == null) return false;
// (这儿可以更加紧凑，但是为了演示的清楚，各种情况都分别进行处理)
p.lock.acquire(); // Prime loop by acquiring first lock.
// (If the acquire fails due to
// interrupt, the method will throw
// InterruptedException now,
// so there is no need for any
// further cleanup.)
for (;;) {
if (x.equals(p.item)) {
p.lock.release(); // 释放当前节点的锁
return true;
}
else {
Node nextp = p.next;
if (nextp == null) {
p.lock.release(); // 释放最后持有的锁
return false;
}
else {
try {
nextp.lock.acquire(); // 在释放当前锁之前获取下一个节点的锁
}
catch (InterruptedException ex) {
p.lock.release(); // 如果获取失败，也释放当前的锁
throw ex;
}
p.lock.release(); // 释放上个节点的锁，现在已经持有新的锁了
p = nextp;
}
}
}
}
synchronized void add(Object x) { // 使用synchronized保护head域
head = new Node(x, head);
}
// ... other similar traversal and update methods ...
}