多線程開發的捷徑：構建Java并發模型框架
Java多線程特性為構建高性能的應用提供了極大的方便，但是也帶來了不少的麻煩。線程間同步、數據一致性等煩瑣的問題需要細心的考慮，一不小心就會出現一些微妙的，難以調試的錯誤。
另外，應用邏輯和線程邏輯糾纏在一起，會導致程序的邏輯結構混亂，難以復用和維護。本文試圖給出一個解決這個問題的方案，通過構建一個并發模型框架（framework），使得開發多線程的應用變得容易。
基礎知識
Java語言提供了對于線程很好的支持，實現方法小巧、優雅。對于方法重入的保護，信號量（semaphore）和臨界區（critical section）機制的實現都非常簡潔。可以很容易的實現多線程間的同步操作從而保護關鍵數據的一致性。這些特點使得Java成為面向對象語言中對于多線程特性支持方面的佼佼者（C++正在試圖把boost庫中的對于線程的支持部分納入語言標準）。
Java中內置了對于對象并發訪問的支持，每一個對象都有一個監視器（monitor），同時只允許一個線程持有監視器從而進行對對象的訪問，那些沒有獲得監視器的線程必須等待直到持有監視器的線程釋放監視器。對象通過synchronized關鍵字來聲明線程必須獲得監視器才能進行對自己的訪問。
synchronized聲明僅僅對于一些較為簡單的線程間同步問題比較有效，對于哪些復雜的同步問題，比如帶有條件的同步問題，Java提供了另外的解決方法，wait/notify/notifyAll。
獲得對象監視器的線程可以通過調用該對象的wait方法主動釋放監視器，等待在該對象的線程等待隊列上，此時其他線程可以得到監視器從而訪問該對象，之后可以通過調用notify/notifyAll方法來喚醒先前因調用wait方法而等待的線程。
一般情況下，對于wait/notify/notifyAll方法的調用都是根據一定的條件來進行的，比如：經典的生產者/消費者問題中對于隊列空、滿的判斷。熟悉POSIX的讀者會發現，使用wait/notify/notifyAll可以很容易的實現POSIX中的一個線程間的高級同步技術：條件變量。
簡單例子
本文將圍繞一個簡單的例子展開論述，這樣可以更容易突出我們解決問題的思路、方法。本文想向讀者展現的正是這些思路、方法。這些思路、方法更加適用于解決大規模、復雜應用中的并發問題。考慮一個簡單的例子，我們有一個服務提供者，它通過一個接口對外提供服務，服務內容非常簡單，就是在標準輸出上打印Hello World。類結構圖如下：
代碼如下：
- interface Service
- {
- public void sayHello();
- }
- class ServiceImp implements Service
- {
- public void sayHello() {
- System.out.println("Hello World!");
- }
- }
- class Client
- {
- public Client(Service s) {
- _service = s;
- }
- public void requestService() {
- _service.sayHello();
- }
- private Service _service;
- }
如果現在有新的需求，要求該服務必須支持Client的并發訪問。一種簡單的方法就是在ServicImp類中的每個方法前面加上synchronized聲明，來保證自己內部數據的一致性（當然對于本例來說，目前是沒有必要的，因為ServiceImp沒有需要保護的數據，但是隨著需求的變化，以后可能會有的）。但是這樣做至少會存在以下幾個問題：
1.現在要維護ServiceImp的兩個版本：多線程版本和單線程版本（有些地方，比如其他項目，可能沒有并發的問題），容易帶來同步更新和正確選擇版本的問題，給維護帶來麻煩。
2.如果多個并發的Client頻繁調用該服務，由于是直接同步調用，會造成Client阻塞，降低服務質量。
3.很難進行一些靈活的控制，比如：根據Client的優先級進行排隊等等。
4.這些問題對于大型的多線程應用服務器尤為突出，對于一些簡單的應用（如本文中的例子）可能根本不用考慮。本文正是要討論這些問題的解決方案，文中的簡單的例子只是提供了一個說明問題，展示思路、方法的平臺。
5.如何才能較好的解決這些問題，有沒有一個可以重用的解決方案呢？讓我們先把這些問題放一放，先來談談和框架有關的一些問題。
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框架概述
熟悉面向對象的讀者一定知道面向對象的最大的優勢之一就是：軟件復用。通過復用，可以減少很多的工作量，提高軟件開發生產率。復用本身也是分層次的，代碼級的復用和設計架構的復用。
大家可能非常熟悉C語言中的一些標準庫，它們提供了一些通用的功能讓你的程序使用。但是這些標準庫并不能影響你的程序結構和設計思路，僅僅是提供一些機能，幫助你的程序完成工作。它們使你不必重頭編寫一般性的通用功能（比如printf），它們強調的是程序代碼本身的復用性，而不是設計架構的復用性。
那么什么是框架呢？所謂框架，它不同于一般的標準庫，是指一組緊密關聯的（類）classes，強調彼此的配合以完成某種可以重復運用的設計概念。這些類之間以特定的方式合作，彼此不可或缺。它們相當程度的影響了你的程序的形貌。框架本身規劃了應用程序的骨干，讓程序遵循一定的流程和動線，展現一定的風貌和功能。這樣就使程序員不必費力于通用性的功能的繁文縟節，集中精力于專業領域。
有一點必須要強調，放之四海而皆準的框架是不存在的，也是最沒有用處的。框架往往都是針對某個特定應用領域的，是在對這個應用領域進行深刻理解的基礎上，抽象出該應用的概念模型，在這些抽象的概念上搭建的一個模型，是一個有形無體的框架。不同的具體應用根據自身的特點對框架中的抽象概念進行實現，從而賦予框架生命，完成應用的功能。
基于框架的應用都有兩部分構成：框架部分和特定應用部分。要想達到框架復用的目標，必須要做到框架部分和特定應用部分的隔離。使用面向對象的一個強大功能：多態，可以實現這一點。在框架中完成抽象概念之間的交互、關聯，把具體的實現交給特定的應用來完成。其中一般都會大量使用了Template Method設計模式。Java中的Collection Framework以及微軟的MFC都是框架方面很好的例子。有興趣的讀者可以自行研究。
構建框架
如何構建一個Java并發模型框架呢？讓我們先回到原來的問題，先來分析一下原因。造成要維護多線程和單線程兩個版本的原因是由于把應用邏輯和并發邏輯混在一起，如果能夠做到把應用邏輯和并發模型進行很好的隔離，那么應用邏輯本身就可以很好的被復用，而且也很容易把并發邏輯添加進來而不會對應用邏輯造成任何影響。造成Client阻塞，性能降低以及無法進行額外的控制的原因是由于所有的服務調用都是同步的，解決方案很簡單，改為異步調用方式，把服務的調用和服務的執行分離。
首先來介紹一個概念，活動對象（Active Object）。所謂活動對象是相對于被動對象（passive object）而言的，被動對象的方法的調用和執行都是在同一個線程中的，被動對象方法的調用是同步的、阻塞的，一般的對象都屬于被動對象；主動對象的方法的調用和執行是分離的，主動對象有自己獨立的執行線程，主動對象的方法的調用是由其他線程發起的，但是方法是在自己的線程中執行的，主動對象方法的調用是異步的，非阻塞的。
本框架的核心就是使用主動對象來封裝并發邏輯，然后把Client的請求轉發給實際的服務提供者（應用邏輯），這樣無論是Client還是實際的服務提供者都不用關心并發的存在，不用考慮并發所帶來的數據一致性問題。從而實現應用邏輯和并發邏輯的隔離，服務調用和服務執行的隔離。下面給出關鍵的實現細節。
本框架有如下幾部分構成：
1.一個ActiveObject類，從Thread繼承，封裝了并發邏輯的活動對象；
2.一個ActiveQueue類，主要用來存放調用者請求；
3.一個MethodRequest接口，主要用來封裝調用者的請求，Command設計模式的一種實現方式。它們的一個簡單的實現如下：
- //MethodRequest接口定義
- interface MethodRequest
- {
- public void call();
- }
- //ActiveQueue定義，其實就是一個producer/consumer隊列
- class ActiveQueue
- {
- public ActiveQueue() {
- _queue = new Stack();
- }
- public synchronized void enqueue(MethodRequest mr) {
- while(_queue.size() > QUEUE_SIZE) {
- try {
- wait();
- }catch (InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- }
- _queue.push(mr);
- notifyAll();
- System.out.println("Leave Queue");
- }
- public synchronized MethodRequest dequeue() {
- MethodRequest mr;
- while(_queue.empty()) {
- try {
- wait();
- }catch (InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- }
- }
- mr = (MethodRequest)_queue.pop();
- notifyAll();
- return mr;
- }
- private Stack _queue;
- private final static int QUEUE_SIZE = 20;
- }
- //ActiveObject的定義
- class ActiveObject extends Thread
- {
- public ActiveObject() {
- _queue = new ActiveQueue();
- start();
- }
- public void enqueue(MethodRequest mr) {
- _queue.enqueue(mr);
- }
- public void run() {
- while(true) {
- MethodRequest mr = _queue.dequeue();
- mr.call();
- }
- }
- private ActiveQueue _queue;
- }
通過上面的代碼可以看出正是這些類相互合作完成了對并發邏輯的封裝。開發者只需要根據需要實現MethodRequest接口，另外再定義一個服務代理類提供給使用者，在服務代理者類中把服務調用者的請求轉化為MethodRequest實現，交給活動對象即可。
使用該框架，可以較好的做到應用邏輯和并發模型的分離，從而使開發者集中精力于應用領域，然后平滑的和并發模型結合起來，并且可以針對ActiveQueue定制排隊機制，比如基于優先級等。
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基于框架的解決方案
本小節將使用上述的框架重新實現前面的例子，提供對于并發的支持。第一步先完成對于MethodRequest的實現，對于我們的例子來說實現如下：
- class SayHello implements MethodRequest
- {
- public SayHello(Service s) {
- _service = s;
- }
- public void call() {
- _service.sayHello();
- }
- private Service _service;
- }
該類完成了對于服務提供接口sayHello方法的封裝。接下來定義一個服務代理類，來完成請求的封裝、排隊功能，當然為了做到對Client透明，該類必須實現Service接口。定義如下：
- class ServiceProxy implements Service
- {
- public ServiceProxy() {
- _service = new ServiceImp();
- _active_object = new ActiveObject();
- }
- public void sayHello() {
- MethodRequest mr = new SayHello(_service);
- _active_object.enqueue(mr);
- }
- private Service _service;
- private ActiveObject _active_object;
- }
其他的類和接口定義不變，下面對比一下并發邏輯增加前后的服務調用的變化，并發邏輯增加前，對于sayHello服務的調用方法：
- Service s = new ServiceImp();
- Client c = new Client(s);
- c.requestService();
并發邏輯增加后，對于sayHello服務的調用方法：
- Service s = new ServiceProxy();
- Client c = new Client(s);
- c.requestService();
可以看出并發邏輯增加前后對于Client的ServiceImp都無需作任何改變，使用方式也非常一致，ServiceImp也能夠獨立的進行重用。類結構圖如下：
讀者容易看出，使用框架也增加了一些復雜性，對于一些簡單的應用來說可能根本就沒有必要使用本框架。希望讀者能夠根據自己的實際情況進行判斷。
結論
本文圍繞一個簡單的例子論述了如何構架一個Java并發模型框架，其中使用了一些構建框架的常用技術，當然所構建的框架和一些成熟的商用框架相比，顯得非常稚嫩，比如沒有考慮服務調用有返回值的情況，但是其思想方法是一致的，希望讀者能夠深加領會，這樣無論對于構建自己的框架還是理解一些其他的框架都是很有幫助的。讀者可以對本文中的框架進行擴充，直接應用到自己的工作中。
優點：
1.增強了應用的并發性，簡化了同步控制的復雜性；
2.服務的請求和服務的執行分離，使得可以對服務請求排隊，進行靈活的控制；
3.應用邏輯和并發模型分離，使得程序結構清晰，易于維護、重用；
4.可以使開發者集中精力于應用領域。
缺點：
1.由于框架所需類的存在，在一定程度上增加了程序的復雜性；
2.如果應用需要過多的活動對象，由于線程切換開銷會造成性能下降；
3.可能會造成調試困難。
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