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Java Concurrent Animated

    在最新一期的Java Magazine中有一篇訪談，介紹了一個(gè)學(xué)習(xí)Java并發(fā)編程的動畫應(yīng)用Java Concurrent Animated。該應(yīng)用以十分直觀的方式展示了Java并發(fā)工具包中的每一個(gè)重要組件，降低了學(xué)習(xí)Java并發(fā)編程的難度。(2013.12.07最后更新)

Java Magazine：有多少人已經(jīng)試用過了你的Java Concurrent Animated應(yīng)用？
Grazi：該應(yīng)用是在2009年7月被引入的，從那時(shí)算起，已經(jīng)有了大約20000的下載量。但考慮到已有約一千萬的Java開發(fā)者，這個(gè)下載量才只是開始。按國家區(qū)分，下載最多的分別是美國(23%)，印度(14)和中國(7%)。
    你可以下載一個(gè)可以執(zhí)行的JAR文件，然后僅需雙擊它就可以運(yùn)行了。該應(yīng)用是由菜單驅(qū)動的，或者也可以使用向上或向下鍵在不同的圖像和動畫之間進(jìn)行導(dǎo)航。它能運(yùn)行在諸如Windows，Mac，Linux等等所有的平臺上。它要求安裝Java SE 6或更高的版本。

Java Magazine：對這個(gè)應(yīng)用最典型的反饋是什么？
Grazi：大家告訴我這個(gè)工具很好用。許多人確實(shí)對此感到興奮，尤其是那些正試圖向團(tuán)隊(duì)教授合適并發(fā)技術(shù)的老師與領(lǐng)導(dǎo)們。Java是最早在核心類庫中引入并發(fā)的語言之一。在當(dāng)時(shí)，這是一個(gè)很強(qiáng)大的特性，但我們很快就發(fā)現(xiàn)一個(gè)非常優(yōu)秀的程序員與會寫出很糟糕的并發(fā)代碼。進(jìn)行恰當(dāng)?shù)牟l(fā)編程是一件困難甚至是不可能的事情，但是如何人們能花些時(shí)間去理解一些現(xiàn)有的框架，那么在進(jìn)行并發(fā)編碼時(shí)所產(chǎn)生潛在錯誤就會變得極少。
    例如，去看看Java內(nèi)存模型。開發(fā)者經(jīng)常忽視Java內(nèi)存模型，而像個(gè)幸福的傻瓜一樣在編碼，那么他們的程序會不太正常，因?yàn)镴ava虛擬機(jī)(JVM)和服務(wù)器可能無法利用到由Java內(nèi)存模型所提供的優(yōu)化。由于內(nèi)核在速度與數(shù)量上都有了增長，廠商們期望能夠高效地利用到這些內(nèi)核，然而由于錯誤的并發(fā)管理，本來如期運(yùn)行的程序卻開始遇到了一些零星的錯誤。

Java Magazine：你是說，這個(gè)應(yīng)用會以我們所虛構(gòu)的方式去使開發(fā)者們能夠更快且直觀地掌握J(rèn)ava并發(fā)的原理與實(shí)踐？
Grazi：那是達(dá)到這一目的一個(gè)有趣的途徑。你知道的，Java Concurrent Animated并不是一個(gè)Flash動畫。它是一組可交互的Java程序，也即，每個(gè)動畫都是真地在使用它所要演示的并發(fā)組件。在屏幕的右邊是一個(gè)展示代碼片斷的面板，由于動畫的運(yùn)行，它會動態(tài)地高亮顯示及恢復(fù)正在執(zhí)行的代碼。
    讓你給你一個(gè)例子，這個(gè)例子發(fā)生在ReadWriteLock這個(gè)動畫中。ReadWriteLock用于確保數(shù)據(jù)的一致性。它允許不受數(shù)量限制的線程去獲取讀鎖，并能并發(fā)地對這個(gè)鎖進(jìn)行操作。但是，寫線程在獲取這個(gè)鎖之前只能等待所有的讀線程執(zhí)行結(jié)束。一旦一個(gè)寫線程獲得了這個(gè)鎖，那么其它的讀線程或?qū)懢€程將無法獲取它。
    假設(shè)一個(gè)寫線程正在等待正在執(zhí)行中的讀線程去釋放這個(gè)讀鎖，但突然一個(gè)新的讀線程跑過來了。那么誰應(yīng)該獲得這個(gè)鎖會比較好呢？這個(gè)新的讀線程應(yīng)該跑到寫線程前面去嗎？畢竟，如果其它的讀線程已經(jīng)獲得了這個(gè)鎖，那么新來的讀線程為什么要去等一個(gè)尚在等待中的寫線程呢？而這實(shí)際上這正是Java 5所干的事兒。但某次我在Java 6上運(yùn)行這個(gè)動畫時(shí)，我注意到行為發(fā)生了改變。即，隨后而來的讀線程在獲取到這個(gè)鎖之前可能要等待所有的寫線程先釋放鎖。
    我認(rèn)為這個(gè)新的行為是一個(gè)BUG，且向并發(fā)專家Heinz Kabutz博士提及了此事。博士解釋道，這不是一個(gè)錯誤，而一個(gè)特性。如果允許新到的讀線程跳到正處于等待中的寫線程的前面去，這就存在產(chǎn)生線程饑餓條件的高風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)椋嬖谝环N很大的可能性，可能沒有任何寫線程能獲得這個(gè)鎖，它們將永遠(yuǎn)等待著。這就是一個(gè)如何使用動畫去警示依賴于JVM運(yùn)行時(shí)版本的線程行為的例子。

Java Magazine：以動畫教程的形式來展示特殊值，在Java并發(fā)編程中有何與眾不同嗎？
Grazi：Miller定律教會我們，我們的大腦在某一時(shí)刻能處理的思維的數(shù)量是有限的。人類大腦傾向于進(jìn)行順序的思維處理，那么即便我們能夠克服身體上的束縛，并能夠去正確地進(jìn)行理解，在以后也很難返回至前去重新構(gòu)造前面的思維處理。可以肯定地是，如果另一個(gè)開發(fā)者在以后能深入對其進(jìn)行研究，那么仍然非常難以從原有的思維成果中再次捕捉到認(rèn)知軌跡。這樣的話，脆弱的代碼就會很突然地不能正常工作了。
    通過使用框架，我們不僅將并發(fā)編程委托給了創(chuàng)建和維護(hù)該框架的聰明開發(fā)者們，而且還為溝通設(shè)計(jì)時(shí)引入了一個(gè)詞典。所以，我可以說，“下面的代碼會當(dāng)作CyclicBarrier去執(zhí)行”，而人們會明白那是什么意思。通過為java.util.concurrent中的所有組件都引入一個(gè)可交互化的動畫應(yīng)用，開發(fā)者們點(diǎn)著鼠標(biāo)就能很方便地將他們所探究的功能進(jìn)行可視化，使理解這些算法變得真心簡單了。

Java Magazine：你當(dāng)時(shí)正在研究某些直覺，這些直覺可以幫助更方便地學(xué)習(xí)并發(fā)編程。從開發(fā)者的反饋來看，這些直覺看起來是有效的。
Grazi：是的。例如，我前面解釋的ReadWriteLock基本功能。讀者們可能理解了，也可能沒有。現(xiàn)在讓我們看看這個(gè)與其有關(guān)的動畫，如圖表1所示。

    綠色線程是讀線程，最上面的白色線程(帶著菱形箭頭)是一個(gè)寫線程，它下面的白色線程是一個(gè)新的讀線程，該線程在獲取鎖之前必須要等待所有的讀線程與寫線程執(zhí)行完畢。如果你點(diǎn)擊按鈕并觀看這些動畫，會比通過瀏覽繁冗的解釋性文字去進(jìn)行理解要簡單得多了。

Java Magazine：Heinz Kabutz評論道，Java被構(gòu)建成能夠一次性做許多事情，而這正與并發(fā)完全相關(guān)。你的學(xué)習(xí)系統(tǒng)是如何提高程序員的技能，以便他們能降低并發(fā)錯誤的風(fēng)險(xiǎn)。
Grazi：經(jīng)常地，當(dāng)我要努力克服一個(gè)并發(fā)問題時(shí)，我知道解決方案就存在于某個(gè)設(shè)計(jì)模式中，但是哪一個(gè)呢？在開發(fā)者探尋一個(gè)正確解決方案時(shí)，Java Concurrent Animated為他們提供了一個(gè)所有方案的目錄；在激發(fā)出正確方案的過程中，它扮演著向?qū)У慕巧?/span>

Java Magazine：當(dāng)你管理的團(tuán)隊(duì)正在使用Java并發(fā)，并且你和你的團(tuán)隊(duì)都想更好地去理解Java并發(fā)，Java Concurrent Animated有著它的出發(fā)點(diǎn)。是什么導(dǎo)致你使用動畫呢，能描述下這個(gè)過程嗎？
Grazi：我的培訓(xùn)是針對投資部門的服務(wù)器端Java應(yīng)用，在那里，并發(fā)是一個(gè)通常都會受到關(guān)注的問題。交易員們要求延遲要低，這樣可以確保他們在這個(gè)需要于一毫秒窗口時(shí)間內(nèi)捕捉交易機(jī)會的比賽中不會成為失敗者。批量處理也要求快速完成，等等。所以我開始看到那些可怕的只寫(write-only)組件，這些組件使人們在并發(fā)編程掙扎著。我自己也身處其中。
    某天下午，我正坐在機(jī)場內(nèi)，將要前往芝加哥為我的團(tuán)隊(duì)做一個(gè)關(guān)于并發(fā)的講演。我正對講演的PPT進(jìn)行最后的處理，那組幻燈片著重演示了每一個(gè)重要的組件。為了引導(dǎo)我瀏覽java.util.concurrent中每個(gè)并發(fā)組件的狀態(tài)，我寫了一些狀態(tài)機(jī)，它們展示了一些供我參考用的簡單文本消息。在之前的生涯中，我曾在一家互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)業(yè)公司中開發(fā)交互式的游戲，所以我懂得許多與動畫相關(guān)的知識。這使我想到可以將PPT替換成一組交互式的動畫應(yīng)用，那會更為直觀。
    在等飛機(jī)的過程中，我寫了一個(gè)初步的動畫引擎，然后在我的狀態(tài)機(jī)中調(diào)用了這個(gè)引擎。到了第二天早晨，我已經(jīng)有一個(gè)可用的原型程序。多年來，我一直致力于這個(gè)框架，并且吸引了其他專家的建議。我傳遞過一份早期版本給Brian Goetz，令人驚訝的是，他為每個(gè)動畫程序都給出了建議。我將他的所有建議到吸收到了該框架中。在我的第一次JavaOne講演中，Kirk Pepperdine加入了進(jìn)來。他建議為動畫應(yīng)用在真正的PPT中加入描述，以便講演者能記住正在討論的內(nèi)容。隨后我加上那些描述，這確實(shí)非常有用--不只是對講演者有用，對于終端用戶也很有用。Heinz Kabutz也加入了那場講演，并建議修改某些動畫，以使它們更為直觀。
    在另一場講演中，一個(gè)很有激情的軟件咨詢師Oliver Zeigermann指出，很顯然缺少了針對ConcurrentHashMap的動畫。我問他是否有興趣貢獻(xiàn)這個(gè)動畫，隨后他添加了那個(gè)很有價(jià)值的動畫程序。

Java Magazine：你能帶著我們過一遍Java并發(fā)工具包中的類嗎？并能否解釋一下這些動畫程序是如何使開發(fā)者們更易于深入理解這些類？
Grazi：好的，但在沒有動畫程序的情況下確實(shí)很難辦到。讓我們看看CyclicBarrier，它有兩個(gè)重要的狀態(tài)，如圖2和圖3所示，它們展示了一個(gè)障礙和四個(gè)成員。在圖2中，我們可以看到有三個(gè)成員已經(jīng)到了，所以它們被阻止繼續(xù)前進(jìn)。圖3展示了，一旦第四個(gè)成員也到達(dá)了，每個(gè)成員又可以向前走了。

    這就形象地詮釋了障礙的概念，亦即，在所有成員到達(dá)障礙點(diǎn)之前，每個(gè)成員必須等待。隨著并發(fā)組件復(fù)雜度的增加--例如Fork/Join的動畫，以及那些演示原生的wait和notify機(jī)制的動畫--使用動畫程序的好處就更不肖說了。

Java Magazine：談?wù)勗趧?chuàng)建這些動畫程序的過程中所遇到的一些挑戰(zhàn)。
Grazi：有一些挑戰(zhàn)。開始時(shí)，線程被表示成箭頭。對于多數(shù)并發(fā)組件，這種表示法是有效的。后來我們必須提供一個(gè)可視化方案，不僅要表示線程，還要表示BlockingQueue中的對象。所以，我不得不引入一個(gè)稱之為"精靈類型(sprite-type)"的概念，然后我們有了一個(gè)箭頭型的精靈類型和一個(gè)新的"對象"型的精靈類型。后來，ConcurrentHashMap和AtomicInteger又需要新的精靈類型，因?yàn)槲覀冊噲D要對他們的計(jì)算與交換行為進(jìn)行可視化。
    后面又來了Fork/Join，新的挑戰(zhàn)就是如何去表現(xiàn)那些完全不同于現(xiàn)有框架所表現(xiàn)的可視化部件。還有一個(gè)挑戰(zhàn)，即Fork/Join動畫需要解決一個(gè)實(shí)際的問題，但這個(gè)動畫應(yīng)該解決一個(gè)什么樣的問題呢？
    開始時(shí)，我讓這個(gè)動畫程序去求Fibonacci數(shù)列，但卻行不通。我在這個(gè)問題上糾結(jié)了兩天時(shí)間，直到我認(rèn)識到Fibonacci數(shù)列(Fn+1=Fn+Fn-1)無法高效地并行化，因?yàn)槊總€(gè)值都依賴于它前面的值。所以，無論你如何試圖對其實(shí)施并行化，它天生就是一個(gè)順序化的計(jì)算。所以我換成了另一個(gè)問題--查找數(shù)組中的最大元素，這樣就好了。在這個(gè)動畫中，你可以很精確地看到如何使用一個(gè)隨機(jī)的數(shù)列去解決這個(gè)問題(如圖4所示)。

Java Magazine：你都在哪里講演過這些動畫程序？
Grazi：在JavaOne中講演過幾次，在其它的許多會議，如奧斯陸中的JavaZone，蘇黎世的Jazoon，紐約的QCon，以及許多SIG(特別興趣組)和JUG(Java用戶組)中也都講演過。我喜歡講演，我也喜歡周游世界，而Java Concurrent Animated為我提供了一個(gè)極好的機(jī)會去做這兩件事情。它總能獲得極高的評價(jià)。
Java Concurrent Animated的講演提供了一種意識，并且它們也向出席的開發(fā)者們展示了下載這一框架的價(jià)值，而且它還展示了，如果你擁有了框架和靈感啟迪，學(xué)習(xí)并發(fā)編程會是多么的容易。

posted on 2013-12-07 17:45 John Jiang 閱讀(2395) 評論(1) 編輯收藏所屬分類: JavaSE 、Java 、Concurrency 、翻譯


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