圖5.5展示了不同線程對同一數據進行存取的兩種情況。對情況a)，因只存在讀操作，類似多人看報，各線程獲取的數據是確定的；對情況b)，因有寫操作，當線程以不同順序執行時，D讀取到的值、x的最終值是不確定的。如以D-E-F次序執行，D讀到1，x值為3；若以F-E-D次序執行，D讀到2，x值為2。
這種多個線程對同一數據的並發讀寫（至少有一個線程執行寫操作）被稱作競爭。競爭會導致數據的不確定性。這種不確定性，有資料將其視為數據訪問不安全。
下面以銀行存取錢為例介紹上述不確定性必須要被解決。假設銀行有賬戶張三，賬戶餘額100元。現張三及其兒子同時在不同存取款一體機上對該賬戶進行操作。張三存入200元，其兒子取出300元。假設使用存取一體機時，必須經歷{查-改-查}三個步驟。為在本地顯示餘額和修改金額，一體機上需要有這兩個本地變量：餘額和輸入的數據，見圖5.6。為方便分析，圖中對不同位置上的數據和指令做了不同標註，用c/q表示輸入的存錢/取錢金額；cm/qm、m分別表示本地緩存餘額和賬戶餘額；c1、q1等表示不同機器上的動作。
根據需求，有m=100，c=200，q=300。假設執行序列為{ q1-c1-q2-c2-q3-c3}，對應的指令序列：qm=m; cm=m; m=qm-q; m=cm+c; qm=m; cm=m; 代入數據，結果如下：
qm=100; cm=100; m=100-300=-200;m=100+200=300;qm=300;cm=300
換言之，賬戶原有100元，存200，取300，執行完畢後，最終餘額300。銀行顯然不能容忍。可能的執行序列很多，這裡不再贅述，請讀者自行分析。
上述現象是{c1-c2-c3}和{q1-q2-q3}以交錯方式對同一賬戶競爭存取所致。若二者以「不可分割」的方式（也稱獨占方式或互斥方式）執行，如現存後取，或是先取後存，則不會出現上述狀況。Java用synchronized( D ){ S }框架實現互斥。其中對象D稱作臨界資源，代碼段S稱作臨界區。該框架表示：S只能以原子（即不可分割）方式訪問D。
01
線程的互斥機制-示例
【例5.5】假設賬戶張三有餘額100元，對賬戶的存取錢過程的動作序列均為「查-改-查」。需要存入200，取出300。藉助線程機制，模擬對張三的賬戶同時實施存取。
目的：掌握互斥機制的實現和應用框架。
設計：本例主要設計了兩個類：賬戶類Accoun、實施存/取錢的ATM類。其中：
Account類有屬性：姓名、金額，用構造函數對這些屬性賦值，以及對金額的read/write方法、獲取姓名的 getName()方法。
ATM類涉及對賬戶存/取特定金額，故有兩個屬性：賬戶a、存/取金額atmVal（正數表示存錢、負數表示取錢）。為模擬同時執行，ATM類必須是線程類，在run()實施存錢或取錢，基本流程為「查-改-查」。
注意：由於指令執行速度非常快，即使未用互斥框架，線程體運行也可能一次運行完畢（即存錢過程和取錢過程未發生指令交錯）。這樣難以發現設計問題。故線程體中加入了一些sleep()動作。sleep()執行時，當前線程必須放棄處理機控制權轉入休眠，線程切換自然就發生了。因此加入sleep()可模擬線程頻繁切換情形（最壞情形）。這是調試線程的常用策略。另外，sleep()所屬線程會放棄cpu，但不會放棄對資源的占用（即不會打開鎖）。
02
輸出結果
未使用互斥框架的運行結果
張三：現有 100 元，取出300元
張三：現有 100 元，存入200元，現有餘額 300 元。，現有餘額 300 元。
使用互斥框架的運行結果
張三：現有 100 元，取出300元，現有餘額 -200 元。
張三：現有 -200 元，存入200元，現有餘額 0 元。
03
示例剖析
從結果看，未使用互斥框架的輸出信息雜亂，且餘額不對。使用互斥框架後輸出信息完整，結果正確的。注意：sleep(1)表示休眠1毫秒。執行時，線程定會放棄處理機，故能增加線程間的切換次數。本例run()中的sleep(1)，旨在模擬出線程執行的最壞情形：線程間頻繁交錯，這有利於線程的調試。由於該方法會產生檢查型異常，故需要對其進行處理。另外，Thread類還有一個靜態方法yield()，又稱讓步方法，能夠讓線程主動放棄CPU，將CPU控制權交給相同或更高優先級的線程。5.3.4節將介紹，由於線程的調度策略，線程的優先級效果似乎不明顯，即yield()的效果也不如sleep()明顯。
互斥實現機理。所有對象上都有一個自動鎖，初始為開啟狀態（unlock），一旦有線程的臨界區訪問該對象（即臨界資源對象），則鎖自動鎖閉（lock），即此線程「持有」鎖。當臨界區執行完畢後，則鎖自動開啟，即此線程「釋放鎖」。臨界資源鎖閉期間，任何其他線程無法再訪問該臨界資源，從而可確保線程間以排它方式執行。對本例而言，首先，atm1、atm2擁有同一臨界資源a（見main方法），這是互斥的基礎。若它們分別關聯不同的線程對象，就不會產生競爭。請讀者驗證之。之後，若atm1首先占有a，則atm2必須等待，直至atm1的臨界區執行完畢，atm2才可能獲得a的對象鎖，繼而執行。若atm2先執行，情況類似。注意，只有對象才有「對象鎖」，換言之，基本型沒有對象鎖，不能作為臨界資源。另外，只有臨界區執行前才會檢查鎖的狀態，sleep()執行時不會釋放鎖。
本例設計的關鍵點有二：1. 在ATM類的run中用synchronized(a){s}框起，確保代碼段s以原子方式執行；2. main中atm1、atm2關聯同一個賬戶a（即使用同一變量a），即確保線程atm1、atm2訪問的臨界資源是相同的，這樣二者才能以互斥方式執行。
實例講解
Java面向對象程序設計
思想·方法·應用
下期預告
模擬生產者-消費者問題
文本框式計算器1.0 2.0
二人間對話示例
04
參考書籍
《Java面向對象程序設計：思想·方法·應用（微課視頻版）》
提供PPT課件，教學大綱，源碼，視頻，諮詢QQ：2301891038（僅限教師）
ISBN：9787302590668
作者：化志章 揭安全 石海鶴 王嵐
定價：59.8元
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內容簡介
本書基於Java語言，以案例為核心，問題求解為主線，快速深入地介紹面向對象程序設計的基本思想、方法和應用，以及GUI編程、線程、IO流等高級應用框架。
全書包括三部分：第1部分Java入門，對應第1章和第2章，討論Java概況、JDK配置，從C過渡到Java，並涉及一些面向對象的基本概念、理念和語法元素；第2部分面向對象程序設計，對應第3章，結合案例，系統闡述面向對象程序設計方法及其語法支撐機制，還包括異常處理、內部類等輔助機制；第3部分實用技術和框架，包括第4～10章，涉及圖形用戶編程、線程機制、IO流、網絡通信、泛型和集合框架、Java連接數據庫、反射機制與代理模式等內容。
本書在內容組織上，基於案例介紹內容，直觀、高效；在內容設計上，所有案例均有目的、設計、源碼和分析，便於快速深入地理解、領會；在內容表述上，結合豐富的圖解和形象的比喻，破解技術難點。各章的章首配有導引，指明本章的設置目的、內容組織的邏輯主線、重點和難點等內容；章末配有小結，進行簡單梳理、提煉；「思考與練習」中提供一組問答題，用於回顧和檢測對前期內容的理解，並提供一些綜合型編程作業。
本書適合作為高等院校計算機、軟件工程專業和各種軟件培訓機構的教材，也特別適合廣大程序員及其他Java開發愛好者自學、參考。
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