[ Java設計模式 ] 多線程設計模式 : Single Thread Execution Pattern

前言 : 考慮有一條獨木橋, 因為橋身非常細故一次只能容納一個人通過. 這一章要學習的是 Single Thread Execution Pattern. 指 " 同一時間以一個線程執行 " 的意思. 而這個 Single Thread Execution Pattern 將會是多線程程序設計的基礎. 而Single Threaded Execution 有時候也稱 Critical Section 或 Critical Region. 前者是把焦點放在 運行的線程上, 而後者是把視線放在執行的範圍 (橋身) 上. Pattern 參予者 : * Shared Resource (共享資源) : Shared Resource 是可由多個線程訪問的類別, 並在在這個類別會擁有一些方法. 這些方法以多線程的角度來看可以分為 : > Safe Method - 從多線程同時調用也不會發生問題 > Unsafe Method - 由多線程調用會出問題, 而需要加以防護. 在Single Thread Execution Pattern 中, 我們使用 synchronized 限制在Unsafe Method 同時間只能有一個線程可以調用它. 而這個必須只讓單線程執行的範圍, 我們稱為 臨界區 (Critical section). 使用時機 : * 多線程環境 * 數據會被多個線程訪問時 * Shared Resource 狀態會改變時 使用範例 : 這裡要寫的程序是要模擬三個人(UserThread)頻繁通過一個只允許一個人通過的門 (Gate). 當人通過時, 這個程序會在計數器遞增通過人數, 並記錄通過人的姓名與出生地. * Main 類 Main 類用來創建一個門 (Gate) 並讓三個人 (UserThread) 不斷的通過. 創建 Gate 類物件並將之作為參數丟到 UserThread 類的建構子做為參數. 下面會有三個人會通過這個人 : >Alice - Alaska >Bobby - Brazil >Chris - Canada 為了便於對應兩者之間的關係, 故意將姓名與出生地的第一個字元取為相同. 代碼 : view plaincopy to clipboardprint? package dp.thread.ch1;      import dp.thread.ch1.proto.IGate;      public class Main {          /**       * Chap1 : Single Threaded Execution - 能通過這座橋的一次只有一個人       * @param args       */       public static void main(String[] args) {           /*Testing Not Thread Safe Gate*/           //System.out.println("Test Not Thread Safe Gate, hit CTRL+C to exit!");           //IGate gate = new GateNTS();                             /*Testing Thread Safe Gate*/           System.out.println("TestThread Safe Gate, hit CTRL+C to exit!");           IGate gate = new Gate();                          new UserThread(gate,"Alice","Alaska",1000).start();           new UserThread(gate,"Boddy","Brazil",1000).start();           new UserThread(gate,"Chris","Canada",1000).start();                }   }   * Gate 類 : Gate 表示人要通過的門. counter 字段表示目前已通過門的人數統計, name字段表示當前通過門的人的姓名, 而address 字段則是當前通過門的人的出生地. pass 是穿越門的方法. 會進行 counter 遞增與紀錄當前通過人的相關訊息. check 方法則是用來檢查現在門的狀態, 若當前的姓名與出生地的第一個字元不同, 則打印 "**** BROKEN ****" 訊息. 而這個Gate 類即是前面所提到參予者的 Shared Resource. 代碼 : (IGate) view plaincopy to clipboardprint? package dp.thread.ch1.proto;      public interface IGate {           public void pass(String name,String a);   }   代碼 : (GateNTS 非線程安全的Gate) view plaincopy to clipboardprint? package dp.thread.ch1;      import dp.thread.ch1.proto.*;      public class GateNTS implements IGate{       private int counter = 0;       private String name = "Nobody";       private String address = "Nowhere";              public void pass(String n,String a){           this.counter++;           this.name = n;           this.address = a;           check();       }              public String toString(){           return "No. "+counter+": "+name+","+address;       }              private void check(){           if(name.charAt(0) != address.charAt(0)){               System.out.println("*****BROKEN*****"+toString());           }       }              }   代碼 : (Gate 線程安全的Gate) view plaincopy to clipboardprint? package dp.thread.ch1;      import dp.thread.ch1.proto.IGate;      public class Gate implements IGate {       private int counter = 0;       private String name = "Nobody";       private String address = "Nowhere";          @Override       public synchronized void pass(String n, String a) {           this.counter++;           this.name = n;           this.address = a;           check();       }              public synchronized String toString(){           return "No. "+counter+": "+name+","+address;       }              private void check(){           if(name.charAt(0) != address.charAt(0)){               System.out.println("*****BROKEN*****"+toString());           }       }   }   * UserThread 類 UserThread 類表示不斷穿過門的行人. 這個類別聲明成Thread 類的子類. gate字段表示要通過的門, myname 字段表示姓名, myaddress字段 表示出生地 而 pt字段 表示要通過門的次數. run 方法 一開始會顯示自己的姓名 與 BEGIN 字樣. 接著則會以設定的次數通過gate (呼叫IGate.pass). 代碼 : view plaincopy to clipboardprint? package dp.thread.ch1;      import dp.thread.ch1.proto.IGate;      public class UserThread extends Thread{       private final IGate gate;       private final String myname;       private final String myaddress;       private int pt = 1;              public UserThread(IGate g,String n,String a,int p){           this.gate = g;           this.myaddress = a;           this.myname = n;           this.pt = p;       }              public void run(){           System.out.println(myname + " BEGIN("+pt+")");           for(int i=0;i             gate.pass(myname, myaddress);           }       }      }   執行結果 : 1. 如果你是以非線程安全的Gate (GateNTS) 去跑, 則可能出現如下結果 : Test Not Thread Safe Gate, hit CTRL+C to exit! Alice BEGIN(1000) Boddy BEGIN(1000) *****BROKEN*****No. 569: Alice,Alaska *****BROKEN*****No. 788: Alice,Alaska *****BROKEN*****No. 955: Boddy,Brazil *****BROKEN*****No. 1119: Boddy,Brazil Chris BEGIN(1000) 2. 如果你是以線程安全的Gate 去跑, 則不會發生BROKEN. TestThread Safe Gate, hit CTRL+C to exit! Alice BEGIN(1000) Boddy BEGIN(1000) Chris BEGIN(1000)