摘 要：介紹了Servlet多線程機(jī)制，通過一個(gè)實(shí)例并結(jié)合Java 的內(nèi)存模型說明引起Servlet線程不安全的原因，給出了保證Servlet線程安全的三種解決方案，并說明三種方案在實(shí)際開發(fā)中的取舍。

　　關(guān)鍵字：Servlet 線程安全 同步 Java內(nèi)存模型 實(shí)例變量

　　Servlet/JSP技術(shù)和ASP、PHP等相比，由于其多線程運(yùn)行而具有很高的執(zhí)行效率。由于Servlet/JSP默認(rèn)是以多線程模式執(zhí)行的，所以，在編寫代碼時(shí)需要非常細(xì)致地考慮多線程的安全性問題。然而，很多人編寫Servlet/JSP程序時(shí)并沒有注意到多線程安全性的問題，這往往造成編寫的程序在少量用戶訪問時(shí)沒有任何問題，而在并發(fā)用戶上升到一定值時(shí)，就會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)一些莫明其妙的問題。

　　Servlet的多線程機(jī)制
　
　　Servlet體系結(jié)構(gòu)是建立在Java多線程機(jī)制之上的，它的生命周期是由Web容器負(fù)責(zé)的。【1】當(dāng)客戶端第一次請(qǐng)求某個(gè)Servlet時(shí)，Servlet容器將會(huì)根據(jù)web.xml配置文件實(shí)例化這個(gè)Servlet類?！?】當(dāng)有新的客戶端請(qǐng)求該Servlet時(shí)，一般不會(huì)再實(shí)例化該Servlet類，也就是有多個(gè)線程在使用這個(gè)實(shí)例。Servlet容器會(huì)自動(dòng)使用線程池等技術(shù)來支持系統(tǒng)的運(yùn)行，如圖1所示。

圖1 Servlet線程池

　　這樣，當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)線程【一個(gè)用戶對(duì)應(yīng)一個(gè)線程】同時(shí)訪問同一個(gè)Servlet時(shí)，可能會(huì)發(fā)生多個(gè)線程同時(shí)訪問同一資源的情況，數(shù)據(jù)可能會(huì)變得不一致。所以在用Servlet構(gòu)建的Web應(yīng)用時(shí)如果不注意線程安全的問題，會(huì)使所寫的Servlet程序有難以發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤。

　　Servlet的線程安全問題

　　Servlet的線程安全問題主要是由于實(shí)例變量使用不當(dāng)而引起的，這里以一個(gè)現(xiàn)實(shí)的例子來說明。

Import javax.servlet. *; Import javax.servlet.http. *; Import java.io. *; Public class Concurrent Test extends HttpServlet { PrintWriter output; Public void service (HttpServletRequest request,HttpServletResponse response) throws ServletException, IOException {String username; Response.setContentType ("text/html; charset=gb2312"); Username = request.getParameter ("username"); Output = response.getWriter (); Try {Thread. sleep (5000); //為了突出并發(fā)問題，在這設(shè)置一個(gè)延時(shí) } Catch (Interrupted Exception e){} output.println("用戶名:"+Username+"<BR>"); } }

　　該Servlet中定義了一個(gè)實(shí)例變量output，在service方法將其賦值為用戶的輸出。當(dāng)一個(gè)用戶訪問該Servlet時(shí)，程序會(huì)正常的運(yùn)行，但當(dāng)多個(gè)用戶并發(fā)訪問時(shí)，就可能會(huì)出現(xiàn)其它用戶的信息顯示在另外一些用戶的瀏覽器上的問題。這是一個(gè)嚴(yán)重的問題。為了突出并發(fā)問題，便于測試、觀察，我們?cè)诨仫@用戶信息時(shí)執(zhí)行了一個(gè)延時(shí)的操作。假設(shè)已在web.xml配置文件中注冊(cè)了該Servlet，現(xiàn)有兩個(gè)用戶a和b同時(shí)訪問該Servlet（可以啟動(dòng)兩個(gè)IE瀏覽器，或者在兩臺(tái)機(jī)器上同時(shí)訪問）,即同時(shí)在瀏覽器中輸入：

　　a： http://localhost: 8080/servlet/ConcurrentTest? Username=a

　　b： http://localhost: 8080/servlet/ConcurrentTest? Username=b

　　如果用戶b比用戶a回車的時(shí)間稍慢一點(diǎn)，將得到如圖2所示的輸出：

圖2 a用戶和b用戶的瀏覽器輸出

　　從圖2中可以看到，Web服務(wù)器啟動(dòng)了兩個(gè)線程分別處理來自用戶a和用戶b的請(qǐng)求，但是在用戶a的瀏覽器上卻得到一個(gè)空白的屏幕，用戶a的信息顯示在用戶b的瀏覽器上。該Servlet存在線程不安全問題。下面我們就從分析該實(shí)例的內(nèi)存模型入手,觀察不同時(shí)刻實(shí)例變量output的值來分析使該Servlet線程不安全的原因。

　　Java的內(nèi)存模型JMM（Java Memory Model）JMM主要是為了規(guī)定了線程和內(nèi)存之間的一些關(guān)系。根據(jù)JMM的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)存在一個(gè)主內(nèi)存(Main Memory)，Java中所有實(shí)例變量都儲(chǔ)存在主存中，對(duì)于所有線程都是共享的。每條線程都有自己的工作內(nèi)存(Working Memory)，工作內(nèi)存由緩存和堆棧兩部分組成，緩存中保存的是主存中變量的拷貝，緩存可能并不總和主存同步，也就是緩存中變量的修改可能沒有立刻寫到主存中；堆棧中保存的是線程的局部變量，線程之間無法相互直接訪問堆棧中的變量。根據(jù)JMM，我們可以將論文中所討論的Servlet實(shí)例的內(nèi)存模型抽象為圖3所示的模型。

圖3 Servlet實(shí)例的JMM模型

　　下面根據(jù)圖3所示的內(nèi)存模型，來分析當(dāng)用戶a和b的線程（簡稱為a線程、b線程）并發(fā)執(zhí)行時(shí)，Servlet實(shí)例中所涉及變量的變化情況及線程的執(zhí)行情況，如圖4所示。

調(diào)度時(shí)刻	a線程	b線程
T1	訪問Servlet頁面
T2		訪問Servlet頁面
T3	output=a的輸出username=a休眠5000毫秒，讓出CPU
T4		output=b的輸出（寫回主存）username=b休眠5000毫秒，讓出CPU
T5	在用戶b的瀏覽器上輸出a線程的username的值,a線程終止。
T6		在用戶b的瀏覽器上輸出b線程的username的值,b線程終止。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖4 Servlet實(shí)例的線程調(diào)度情況

　　從圖4中可以清楚的看到，由于b線程對(duì)實(shí)例變量output的修改覆蓋了a線程對(duì)實(shí)例變量output的修改，從而導(dǎo)致了用戶a的信息顯示在了用戶b的瀏覽器上。如果在a線程執(zhí)行輸出語句時(shí)，b線程對(duì)output的修改還沒有刷新到主存，那么將不會(huì)出現(xiàn)圖2所示的輸出結(jié)果，因此這只是一種偶然現(xiàn)象，但這更增加了程序潛在的危險(xiǎn)性。

 

 

設(shè)計(jì)線程安全的Servlet

　　通過上面的分析，我們知道了實(shí)例變量不正確的使用是造成Servlet線程不安全的主要原因。下面針對(duì)該問題給出了三種解決方案并對(duì)方案的選取給出了一些參考性的建議。

　　1、實(shí)現(xiàn) SingleThreadModel 接口

　　該接口指定了系統(tǒng)如何處理對(duì)同一個(gè)Servlet的調(diào)用。如果一個(gè)Servlet被這個(gè)接口指定,那么在這個(gè)Servlet中的service方法將不會(huì)有兩個(gè)線程被同時(shí)執(zhí)行，當(dāng)然也就不存在線程安全的問題。這種方法只要將前面的Concurrent Test類的類頭定義更改為：

Public class Concurrent Test extends HttpServlet implements SingleThreadModel { ………… }

　　2、同步對(duì)共享數(shù)據(jù)的操作

　　使用synchronized 關(guān)鍵字能保證一次只有一個(gè)線程可以訪問被保護(hù)的區(qū)段，在本論文中的Servlet可以通過同步塊操作來保證線程的安全。同步后的代碼如下：

………… Public class Concurrent Test extends HttpServlet { ………… Username = request.getParameter ("username"); Synchronized (this){ Output = response.getWriter (); Try { Thread. Sleep (5000); } Catch (Interrupted Exception e){} output.println("用戶名:"+Username+"<BR>"); } } }

　　3、避免使用實(shí)例變量

　　本實(shí)例中的線程安全問題是由實(shí)例變量造成的，只要在Servlet里面的任何方法里面都不使用實(shí)例變量，那么該Servlet就是線程安全的。

　　修正上面的Servlet代碼，將實(shí)例變量改為局部變量實(shí)現(xiàn)同樣的功能，代碼如下：

…… Public class Concurrent Test extends HttpServlet {public void service (HttpServletRequest request, HttpServletResponse Response) throws ServletException, IOException { Print Writer output; String username; Response.setContentType ("text/html; charset=gb2312"); …… } }

　　對(duì)上面的三種方法進(jìn)行測試，可以表明用它們都能設(shè)計(jì)出線程安全的Servlet程序。但是，如果一個(gè)Servlet實(shí)現(xiàn)了SingleThreadModel接口，Servlet引擎將為每個(gè)新的請(qǐng)求創(chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的Servlet實(shí)例，這將引起大量的系統(tǒng)開銷。SingleThreadModel在Servlet2.4中已不再提倡使用；同樣如果在程序中使用同步來保護(hù)要使用的共享的數(shù)據(jù)，也會(huì)使系統(tǒng)的性能大大下降。這是因?yàn)楸煌降拇a塊在同一時(shí)刻只能有一個(gè)線程執(zhí)行它，使得其同時(shí)處理客戶請(qǐng)求的吞吐量降低，而且很多客戶處于阻塞狀態(tài)。另外為保證主存內(nèi)容和線程的工作內(nèi)存中的數(shù)據(jù)的一致性，要頻繁地刷新緩存,這也會(huì)大大地影響系統(tǒng)的性能。所以在實(shí)際的開發(fā)中也應(yīng)避免或最小化 Servlet 中的同步代碼；在Serlet中避免使用實(shí)例變量是保證Servlet線程安全的最佳選擇。從Java 內(nèi)存模型也可以知道，方法中的臨時(shí)變量是在棧上分配空間，而且每個(gè)線程都有自己私有的棧空間，所以它們不會(huì)影響線程的安全。

　　小結(jié)

　　Servlet的線程安全問題只有在大量的并發(fā)訪問時(shí)才會(huì)顯現(xiàn)出來，并且很難發(fā)現(xiàn)，因此在編寫Servlet程序時(shí)要特別注意。線程安全問題主要是由實(shí)例變量造成的,因此在Servlet中應(yīng)避免使用實(shí)例變量。如果應(yīng)用程序設(shè)計(jì)無法避免使用實(shí)例變量，那么使用同步來保護(hù)要使用的實(shí)例變量，但為保證系統(tǒng)的最佳性能，應(yīng)該同步可用性最小的代碼路徑。