|
作者：羅時飛 譯 來自：open-v.com
前言
如果開發者正開發或維護基于Servlet的Web應用，則Servlet規范建議最好能夠看看。因為它含有的內容對于Web應用開發者理解Servlet容器的工作機理很有幫助。
其中，規范給出了Servlet容器是如何處理客戶請求的。Servlet容器將會根據web.xml配置文件中定義的各個Servet而創建相應的單例。因此，多個客戶請求可能同時訪問這些單例，即多個線程同時訪問它們。在Web應用中保證線程安全是很重要的。開發者應該對這個問題保持警惕，而且必須確保各自的代碼必須以線程安全的方式運行。
溫故線程安全
好了，本文將介紹線程安全的基本知識以及如何實現線程安全。有關線程安全，現有的資料有很多，作者很喜歡Wikipedia[譯者注：http://en.wikipedia.org/wiki/Thread-safe ]這篇文章。開發者基本上可以認為，如果代碼是可重入的（reentrant），或者通過某種形式的互斥而實現對并發訪問的保護，則代碼是線程安全的。
大部分Java開發者都應該聽過synchronized關鍵字。在不采用任何第三方庫的前提下，Java本身對線程提供了原生支持，而且synchronized關鍵字往往是Java應用中實現線程安全最重要的因素。Java中的同步提供了互斥支持。通過同步一塊代碼或整個方法能夠保證同時最多只有單個線程執行它，從而實現了線程安全。引入同步具有副作用，即阻塞。比如，大公司或律師辦公室的前臺小姐同時需要處理電話、郵件、受訪客戶等等。這使得她的工作很繁忙，而且導致一些事情不能夠及時處理。
在Web應用中需要警惕阻塞。受同步保護的代碼塊使得其同時處理客戶請求的吞吐量降低，而且很多客戶處于阻塞狀態，除非某客戶處理完成。而且互斥不僅會帶來阻塞，還會帶來死鎖。通常，死鎖是不可恢復的。如下條件將觸發死鎖的發生：線程A鎖住了線程B等待的資源，而且線程B鎖住了線程A等待的資源，即線程B一直在等待線程A釋放鎖，線程A也是如此。因此，對于多線程的應用而言，死鎖的預防和處理通常都是很頭疼的。
另外，synchronized關鍵字還使得大量的同步對象到處使用，從而引入了死鎖的可能性。比如，java.util.Hashtable和java.util.Vector中提供的方法都是受互斥保護的，因此除非確實需要使用它們，否則盡量不用。開發者只需要使用java.util.HashMap和java.util.ArrayList即可。當然，java.util.Collections中的同步方法也使用了synchronized關鍵字。
盡管可重入更易于管理，但它引入了其他問題。可重入代碼避免了線程間數據的共享?？紤]如下代碼（姑且認為Java中的方法是線程安全的）：
public Double pi() {
int a = 22;
int b = 7;
return new Double(a / b);
}
不管同時進入該方法的線程有多少，它總是線程安全的。各個線程都維護了屬于各個線程的棧，并不同其他線程共享。其中，各個線程在當前方法（包括靜態方法）中創建的方法變量僅屬于當前線程，即存儲在當前線程的棧中。因此，當線程A和B同時進入上述方法時，它們都將創建a和b。由于上述方法不存在數據共享，因此上述方法是線程安全的。請注意：22/7值同PI值較接近，但它們不相等。
接下來，看看如何優化上述代碼吧。
private Double pi = null;
public Double pi() {
if (pi == null) {
pi = new Double(22 / 7);
}
return pi;
}
盡管改進后的方法能夠提高性能，但并不是線程安全的。比如：如果pi為null，而且線程A和B同時進入第4行。因此，線程A和B會同時測試pi是否為空，它們都將返回true。接下來，如果線程A繼續執行（線程B由于某種原因被暫掛），然后返回對內存地址的引用。其中，該內存地址含有22/7的結果，即pi值。最后，線程A退出方法。當線程B再次進入第5行時，新的內存地址將覆蓋原先的內存地址（線程A提供的）。這太危險了，而且這種問題往往難于調試。
如果使用ThreadLocal，則不僅能夠保證pi()方法是線程安全，而且能夠提供性能的改善。
private static ThreadLocal pi = new ThreadLocal();
public Double pi() {
if (pi.get() == null) {
pi.set(new Double(22 / 7));
}
return (Double)pi.get();
}
ThreadLocal類能夠包裹任何對象，而且能夠將對象綁定到當前線程，使得它僅僅供當前線程使用。當線程初次執行pi()方法時，由于沒有對象綁定到ThreadLocal實例pi上，因此get()方法返回null。借助于set()方法能夠將對象綁定到當前線程，而且不供其它線程使用。因此，如果不同線程需要經常訪問pi()方法，則借助于ThreadLocal不僅能夠保證線程安全，而且能夠提高性能。
目前，存在很多關于如何使用ThreadLocal的資源。在Java 1.4之前，ThreadLocal的性能確實很差，但是現已解決了這個問題。另外，由于對ThreadLocal的錯誤理解，使得很多開發者對它的誤用。注意，上述實例使用ThreadLocal的方式是絕對沒問題的。在引入ThreadLocal后，上述方法的行為并未發生改變，但是方法已經是線程安全的了。
通過可重入的方式開發線程安全的代碼要求開發者謹慎使用實例變量或靜態變量，尤其對于修改那些其他線程需要使用的對象而言。某些場合，使用同步可能更為合適。然而，為識別由于同步而引起的應用性能瓶頸往往只能借助于專業的性能評測工具或負載測試完成。
Web應用中的線程安全
好了，在溫故線程安全的知識后，來研究Web應用中是如何線程安全的吧！開發者通過創建Web頁面來操作數據庫。比如，在Web層和業務邏輯層都能夠操作RDBMS。本文使用Hibernate將業務模型持久化到數據庫中。在Web層，開發者可以使用Tapestry、Wicket、Struts、WebWork、JSF、Spring MVC，或者其他運行在Web容器中的Web框架。
至于Web層的具體實現并不是本文的重點。本文將關注如何管理數據庫連接，這也是Web應用中處理線程安全問題是經常要考慮的資源。數據庫連接對象，比如連接、結果集、Statement、Hibernate Session，是有狀態對象。當然，它們不是線程安全的，因此不能夠同時供多個線程訪問。在本文前面已經提到，開發者應盡量避免使用同步。無論是synchronized關鍵字，還是那些同步類（Hashtable或Vector），應盡量避免使用。因此，如果使用可重入，則不用處理阻塞或死鎖。
當然，通過可重入實現線程安全以訪問數據庫并不是件簡單的工作。比如，有些開發者可能會在Servlet容器配置中添加過濾器。因此，在客戶請求到來時，過濾器將創建JDBC連接或Hibernate Session，并借助于ThreadLocal類將它們綁定到當前線程中，從而供業務邏輯使用。如果直接使用J2EE API，則開發者除了需要做很多同業務邏輯無關的操作外，還需要管理事務、DB錯誤等等開發內容。請注意，這些同業務邏輯無關的操作的維護工作往往很費時間。
Spring的闖入
一些Java開發者可能聽說過Spring提供的DAO抽象。當然，一些開發者也有可能使用過它。借助于Spring提供的模板，開發者能夠使用DAO代碼的重用。借助于Spring AOP，開發者還能夠使用聲明式事務。因此，本文來研究Spring是如何實現以線程安全方式訪問RDBMS的。比如，Spring允許以JDBC、Hibernate、JDO、iBATIS、TopLink等方式訪問數據庫。如下給出的實例是企業應用中很常見的情景。
首先，定義數據源和用于Hibernate SessionFactory。
id="propertyConfigurer" class="org.springframework.beans.factory.config.PropertyPlaceholderConfigurer">
WEB-INF/jdbc.properties
${jdbc.driverClassName}
${jdbc.url}
${jdbc.username}
${jdbc.password}
classpath:
net.sf.hibernate.dialect.HSQLDialect
true
這是使用Hibernate的典型配置，即通過定義的數據源連接到數據庫、通過本地SessionFactory創建Hibernate SessionFactory。接下來，需要定義業務對象（實現對DB的訪問）和事務管理器（通過Hibernate Session管理本地事務）。其中，業務對象暴露的方法能夠在數據庫中添加新的紀錄，而事務管理器能夠將方法包裹在事務中。它們的定義如下。
public interface CustomerDAO {
public void createCustomer(Customer customer);
}
public class HibernateCustomerDAO implements CustomerDAO {
private HibernateTemplate hibernateTemplate = null;
public void setSessionFactory(SessionFactory sessionFactory) {
this.hibernateTemplate = new HibernateTemplate(sessionFactory, false);
}
public void createCustomer(Customer customer) {
this.hibernateTemplate.save(customer);
}
}
開發者應該已經看到，上述類使用了Spring提供的HibernateTemplate。注意，模板的開發遵循了業界最佳實踐，并且將一些同業務不相關，但J2EE API規定要處理的那些代碼處理掉了。與此同時，它通過DAO抽象將受查異常轉換為非受查異常。當然，Spring不只是為使用Hibernate提供模板，它還為JDBC、iBATIS、SqlMap、JDO、TopLink提供類似模板。由于這些模板類及其實例變量實現了可重入，即都是線程安全的，因此允許并發線程同時使用模板。使用這些模板不僅能夠實現代碼的重用，還提供了最佳實踐。除了以線程安全方式訪問DB外，模板還提供了其他很多有意義的內容。好了，來看看如何定義業務對象和事務管理器吧！
PROPAGATION_REQUIRED
PROPAGATION_REQUIRED
如果開發者對Spring中事務管理的配置不熟悉，則本文正好滿足你們。首先，上述Spring配置片斷定義了業務對象HibernateCustomerDAO，它包裹了Hibernate SessionFactory。注意，默認時，Spring中定義的JavaBean都是單例的，HibernateCustomerDAO也不例外。這意味：多個線程可能同時執行createCustomer()方法。
其次，配置了Hibernate事務管理器，它包裹了同一Hibernate SessionFactory實例。在事務管理器每次執行時，它都會完成如下幾件事情。其一，檢查Hibernate Session是否綁定到當前線程。如果已綁定，則直接使用它。如果還未綁定，事務管理器將告知Hibernate SessionFactory創建新的Session，然后將創建的Session綁定到當前線程。其二，如果當前沒有處于活動的事務，則事務管理器將啟動新的事務，并將Session包裹進來。否則，直接參與到活動事務中。
整個過程是通過使用Spring提供的TransactionProxyFactoryBean實現的。當然，這是一種以聲明方式實現的事務管理過程。TransactionProxyFactoryBean能夠為業務對象創建代理對象，從而通過事務管理器管理事務。當每次通過代理對象調用createCustomer()方法時，事務管理器將根據事務屬性管理事務。當前，Spring除了提供HibernateTransactionManager事務管理器外，還為JDBC數據源、JDO、TopLink提供了相應的事務管理器。
好了，再來看看業務對象吧！當調用createCustomer()方法時，HibernateTemplate將查找綁定到當前線程的Hibernate Session。由于上述配置文件片斷傳入到HibernateTemplate構建器的第二個參數為false，因此如果沒有綁定Hibernate Session，則將拋出未受查異常。這對于那些未正確配置事務管理功能的場和特別有用（注意，事務管理器很重要）。一旦事務管理配置好后，Hibernate Session將綁定到當前線程，從而啟動事務。請注意，HibernateTemplate不會去檢查事務是否激活，也不會顯示地啟動或終止事務。也請注意，如果在聲明的方法（事務屬性中給出的）中拋出了未受查異常，則當前活動事務將回滾。至于事務屬性的研究，本文不再給出。
結論
最后，來總結一下Spring以線程安全方式實現數據訪問吧。通過使用事務管理和權衡ThreadLocal提供的功能，Spring將數據庫連接（JDBC連接、Hibernate Session、JDO持久化管理器）綁定到當前線程，從而供DAO模板使用。本文在最開始研究了數據庫連接并沒有在線程間共享。Spring不僅提供了聲明式事務管理、J2EE API抽象、最佳實踐，而且其提供的模板是線程安全的。當使用Spring訪問DB時，通過可重入實現應用的線程安全是最為可靠、常見的做法。 |