JUC学习笔记——共享模型之管程
JUC学习笔记——共享模型之管程
在本系列内容中我们会对JUC做一个系统的学习，本片将会介绍JUC的管程部分
我们会分为以下几部分进行介绍：
- 共享问题
- 共享问题解决方案
- 线程安全分析
- Monitor
- synchronized锁
- Wait/notify
- 模式之保护性暂停
- 模式之生产者消费者
- park
- 线程状态转换详解
- 多锁操作
- 活跃性
- ReentrantLock
- 同步模式之顺序控制
共享问题
这小节我们将会介绍共享问题
共享问题概述
我们首先来简单介绍一下贡献问题的产生原因：
- 操作系统目前只操纵一个CPU单位（单核CPU）
- 但是有两个线程都需要CPU来运行程序，所以操作系统采用时间片分配CPU
- 假设一个线程负责i++，一个线程负责i--，但我们需要注意共享数据的存放不是在线程中而是在内存里
- 假设一个线程取到数据，并进行i++操作之后，但并未将数据放入时，发生了上下文转换，这时另一个线程完成了i--操作
- 这时另一个线程的操作结果为0-1：-1，结果这个线程继续操作，将计算后的数据直接放入，结果变为了1，结果错误引发共享问题
实际代码体现
我们采用实际代码给出示例：
// 针对counter，我们一个线程++，一个线程--各运行5000次
static int counter = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5000; i++) {
counter++;
}
}, "t1");
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5000; i++) {
counter--;
}
}, "t2");
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
log.debug("{}",counter);
}
// 但结果却不是0，经常为-5000~5000之间的数
我们可以从底层代码分析问题：
/*i++底层代码*/
getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 // 准备常量1
iadd // 自增
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i
/*i--底层代码*/
getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 // 准备常量1
isub // 自减
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i
我们会发现他们的底层代码并不是一步实现，而是多步操作一同实现
在单线程下，按照正常顺序实现自然不会出错：
但是如果是多线程，就会因为上下文切换的缘由导致部分步骤出现交杂（我们给出正数示例）：
临界区和竞态条件
首先我们来简单介绍一下临界区：
- 一段代码块内如果存在对共享资源的多线程读写操作，称这段代码块为临界区
- 例如我们上述共享问题中的i就是共享资源，而对i操作的i++和i--操作都可以被称为临界区
针对临界区我们需要注意以下内容：
- 一个程序运行多个线程本身是没有问题的
- 多个线程读共享资源其实也没有问题
- 但是在多个线程对共享资源读写操作时发生指令交错，就会出现问题
然后我们再来介绍一下竞态条件：
- 多个线程在临界区内执行，由于代码的执行序列不同而导致结果无法预测，称之为发生了竞态条件
共享问题解决方案
这小节我们将会介绍共享问题解决方案
共享问题解决方案总述
我们的共享问题主要采用以下两种方案解决：
- 阻塞式的解决方案：synchronized，Lock
- 非阻塞式的解决方案：原子变量
synchronized简述
首先我们简单介绍一下synchronized：
- 俗称的【对象锁】，采用互斥的方式使目前至多只有一个线程能持有【对象锁】其它线程再想获取这个【对象锁】时就会阻塞住。
- 这样就能保证拥有锁的线程可以安全的执行临界区内的代码，不用担心线程上下文切换
我们先来介绍synchronized的语法：
// 线程1， 线程2 都使用同一对象作为锁，这样一个运行，另一个处于blocked阻塞
synchronized(对象)
{
临界区
}
我们再给出相关代码示例：
// 我们创建一个room对象来作为锁，注意处理共享问题的线程需要绑定同一个锁
static int counter = 0;
static final Object room = new Object();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5000; i++) {
synchronized (room) {
counter++;
}
}
}, "t1");
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5000; i++) {
synchronized (room) {
counter--;
}
}
}, "t2");
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
log.debug("{}",counter);
}
我们做简单解释：
- synchronized相当于一个方法用来设置一个房间
- room对象相当于一个锁，这个锁控制着房间，而房间中放着所有对应的synchronized里面的代码
- 多个线程谁先进入room就可以获得钥匙，然后如果想要进入这个房间操作，只有有钥匙的线程才可以
- 当该线程操作结束后，就会主动将钥匙让出来，其他线程就可以进行抢夺钥匙，哪个线程获得钥匙就可以继续操作
- 同时我们需要注意时间片结束并不意味着解开锁，就算轮到其他线程的时间片，他们也不能进入到房间里去执行他们的代码
synchronized思考
synchronized 实际是用对象锁保证了临界区内代码的原子性，临界区内的代码对外是不可分割的，不会被线程切换所打断。
我们简单给出三个思考问题：
// - 如果把 synchronized(obj) 放在 for 循环的外面，如何理解？-- 原子性
会将for循环也作为原子性的一部分，会连续执行5000次之后才释放锁给另一个线程使用
// - 如果 t1 synchronized(obj1) 而 t2 synchronized(obj2) 会怎样运作？-- 锁对象
两个线程使用不同的锁，自然就对应不同的房间，不具有安全性
// -如果 t1 synchronized(obj) 而 t2 没有加会怎么样？如何理解？-- 锁对象
一个线程使用锁，另一个不使用，自然不具有互斥关系，不具有安全性
对象解决共享问题
我们同样也可以直接采用一个类和synchronized搭配来解决共享问题
// 我们自定义一个类，里面装有数据，我们采用synchronized解决共享问题
class Room {
// value值是属于room对象的
int value = 0;
// 这里的 synchronized 里面的 this 指的是创建的类的实际对象
public void increment() {
synchronized (this) {
value++;
}
}
public void decrement() {
synchronized (this) {
value--;
}
}
public int get() {
synchronized (this) {
return value;
}
}
}
@Slf4j
public class Test1 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 注意：这里线程1，2采用的是一个roon对象，所以他们的value值是共享的
Room room = new Room();
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 5000; j++) {
room.increment();
}
}, "t1");
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 5000; j++) {
room.decrement();
}
}, "t2");
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
log.debug("count: {}" , room.get());
}
}
synchronized方法使用
我们的synchronized有时也会用于类的方法中，具有不同的意义：
// 首先是将synchronized放在普通的方法上：下面两个class是等价的，这里的this指的是对象本身
class Test{
public synchronized void test() {
}
}
class Test{
public void test() {
synchronized(this) {
}
}
}
// 再者就是将synchronized放在静态方法上：下面两个class是等价的，这里的Test.class指的是类本身
class Test{
public synchronized static void test() {
}
}
class Test{
public static void test() {
synchronized(Test.class) {
}
}
}
"线程八锁"思考题
我们来给出面试常用的线程八锁思考题来进行自身检测：
/*第1题*/
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
public synchronized void a() {
log.debug("1");
}
public synchronized void b() {
log.debug("2");
}
}
public static void main(String[] args) {
Number n1 = new Number();
new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
}
// 结果：1，2或2，1
// 解析：两者都绑定n1对象锁，互斥关系
/*第2题*/
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
public synchronized void a() {
sleep(1);
log.debug("1");
}
public synchronized void b() {
log.debug("2");
}
}
public static void main(String[] args) {
Number n1 = new Number();
new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
}
// 结果：1s后1，2或2，1s后1
// 解析：两者都绑定n1对象锁，互斥关系；sleep不具有任何关系
/*第3题*/
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
public synchronized void a() {
sleep(1);
log.debug("1");
}
public synchronized void b() {
log.debug("2");
}
public void c() {
log.debug("3");
}
}
public static void main(String[] args) {
Number n1 = new Number();
new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
new Thread(()->{ n1.c(); }).start();
}
// 结果：3 1s 12 或 23 1s 1 或 32 1s 1
// 解析：a，b都是n1对象锁，c不具有锁
/*第4题*/
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
public synchronized void a() {
sleep(1);
log.debug("1");
}
public synchronized void b() {
log.debug("2");
}
}
public static void main(String[] args) {
Number n1 = new Number();
Number n2 = new Number();
new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
new Thread(()->{ n2.b(); }).start();
}
// 结果：2 1s 后 1
// 解析：a是n1的对象锁，b是n2的对象锁，不具有互斥关系
/*第5题*/
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
public static synchronized void a() {
sleep(1);
log.debug("1");
}
public synchronized void b() {
log.debug("2");
}
}
public static void main(String[] args) {
Number n1 = new Number();
new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
}
// 结果：2 1s 后 1
// 解析：a采用类锁，b采用n1对象锁，不具有互斥关系
/*第6题*/
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
public static synchronized void a() {
sleep(1);
log.debug("1");
}
public static synchronized void b() {
log.debug("2");
}
}
public static void main(String[] args) {
Number n1 = new Number();
new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
}
// 结果：1s 后12， 或 2 1s后 1
// 解析：两者都是类锁，具有互斥关系
/*第7题*/
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
public static synchronized void a() {
sleep(1);
log.debug("1");
}
public synchronized void b() {
log.debug("2");
}
}
public static void main(String[] args) {
Number n1 = new Number();
Number n2 = new Number();
new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
new Thread(()->{ n2.b(); }).start();
}
// 结果：2 1s 后 1
// 解析：a采用类锁，b采用n2对象锁，不具有互斥关系
/*第8题*/
@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
public static synchronized void a() {
sleep(1);
log.debug("1");
}
public static synchronized void b() {
log.debug("2");
}
}
public static void main(String[] args) {
Number n1 = new Number();
Number n2 = new Number();
new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
new Thread(()->{ n2.b(); }).start();
}
// 结果：1s 后12， 或 2 1s后 1
// 解析：两者都是类锁，具有互斥关系
线程安全分析
这小节我们将会介绍线程安全分析
变量线程安全问题
首先我们来思考成员变量和静态变量的安全性：
- 如果它们没有共享，则线程安全
- 如果它们被共享了：如果只有读操作，则线程安全
- 如果它们被共享了：如果有读写操作，则这段代码是临界区，需要考虑线程安全
我们再来思索一下局部变量的安全性：
- 局部变量是线程安全的
- 局部变量引用的对象：如果该对象没有逃离方法的作用访问，它是线程安全的
- 局部变量引用的对象：如果该对象逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全
我们通过简单代码进行测试：
/*局部变量*/
// 源代码展示：
public static void test1() {
int i = 10;
i++;
}
// 我们查看底层代码：每个线程调用 test1() 方法时局部变量 i，会在每个线程的栈帧内存中被创建多份，因此不存在共享
public static void test1();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=0
0: bipush 10
2: istore_0
3: iinc 0, 1
6: return
LineNumberTable:
line 10: 0
line 11: 3
line 12: 6
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
3 4 0 i I
/*成员变量*/
// 源代码展示：
static final int THREAD_NUMBER = 2;
static final int LOOP_NUMBER = 200;
public static void main(String[] args) {
// 一个test对象
ThreadUnsafe test = new ThreadUnsafe();
// 两个线程去操纵
for (int i = 0; i < THREAD_NUMBER; i++) {
// 均执行method1方法
new Thread(() -> {
test.method1(LOOP_NUMBER);
}, "Thread" + i).start();
}
}
class ThreadUnsafe {
// 这里的list是属于对象的，创建在堆中，属于线程共同操纵对象
ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
// 不断调用method2，3方法200次
public void method1(int loopNumber) {
for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
// { 临界区, 会产生竞态条件
method2();
method3();
// } 临界区
}
}
private void method2() {
list.add("1");
}
private void method3() {
list.remove(0);
}
}
// 运行结果的其中一种：如果线程2 还未 add，线程1 remove 就会报错
Exception in thread "Thread1" java.lang.IndexOutOfBoundsException: Index: 0, Size: 0
at java.util.ArrayList.rangeCheck(ArrayList.java:657)
at java.util.ArrayList.remove(ArrayList.java:496)
at cn.itcast.n6.ThreadUnsafe.method3(TestThreadSafe.java:35)
at cn.itcast.n6.ThreadUnsafe.method1(TestThreadSafe.java:26)
at cn.itcast.n6.TestThreadSafe.lambda$main$0(TestThreadSafe.java:14)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
/*成员变量局部优化*/
// 源代码展示
static final int THREAD_NUMBER = 2;
static final int LOOP_NUMBER = 200;
public static void main(String[] args) {
// 一个test对象
ThreadUnsafe test = new ThreadUnsafe();
// 两个线程去操纵
for (int i = 0; i < THREAD_NUMBER; i++) {
// 均执行method1方法
new Thread(() -> {
test.method1(LOOP_NUMBER);
}, "Thread" + i).start();
}
}
class ThreadSafe {
public final void method1(int loopNumber) {
// 这里将list变为局部变量，每个线程独自在自己的栈中创建，就不会产生安全问题
ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
method2(list);
method3(list);
}
}
private void method2(ArrayList<String> list) {
list.add("1");
}
private void method3(ArrayList<String> list) {
list.remove(0);
}
}
/*方法public化缺陷*/
// 源代码展示：
class ThreadSafe {
public final void method1(int loopNumber) {
ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
method2(list);
method3(list);
}
}
public void method2(ArrayList<String> list) {
list.add("1");
}
public void method3(ArrayList<String> list) {
list.remove(0);
}
}
class ThreadSafeSubClass extends ThreadSafe{
@Override
public void method3(ArrayList<String> list) {
new Thread(() -> {
list.remove(0);
}).start();
}
}
// 如果我们将method2，3改为public，就可能会导致其他线程直接调用method2，3导致安全性问题
// 同时甚至可能出现其他子类继承父类导致修改原方法，同时创建一个线程导致多线程问题出现
常见线程安全类
我们在下面介绍一下我们常用的线程安全类：
- String
- Integer
- StringBuffer
- Random
- Vector
- Hashtable
- java.util.concurrent 包下的类
同时我们需要知道无法改变的类型也是线程安全的：
- String、Integer 等都是不可变类，因为其内部的状态不可以改变，因此它们的方法都是线程安全的
- 这里需要注意：String的各类修改方法都是直接创建一个新的String类型而不是在String本体进行增删
我们再进行简单解释：
- 线程安全类的每个方法是原子的
- 但注意它们多个方法的组合不是原子的！
我们采用代码进行简单解释：
/*下述的单个方法都是原子且安全性的*/
Hashtable table = new Hashtable();
new Thread(()->{
table.put("key", "value1");
}).start();
new Thread(()->{
table.put("key", "value2");
}).start();
/*但当这些方法组合起来，就无法保证其线程安全性*/
Hashtable table = new Hashtable();
// 线程1，线程2都执行时，可能出现下述情况
// 线程1get==null，线程2get==null，线程2put，线程1put；导致线程安全性错误出现
if( table.get("key") == null) {
table.put("key", value);
}
常见题型分析
我们直接给出代码来进行题型分析：
/*题目1*/
// MyServlet是Servlet类，应用于Tomcat的多线程上
public class MyServlet extends HttpServlet {
// 是否安全？不是，不属于线程安全类
Map<String,Object> map = new HashMap<>();
// 是否安全？是，属于不变类型
String S1 = "...";
// 是否安全？是，属于不变类型
final String S2 = "...";
// 是否安全？不是，不属于线程安全类
Date D1 = new Date();
// 是否安全？是，属于不变类型
final Date D2 = new Date();
public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
// 使用上述变量
}
}
/*题目2*/
public class MyServlet extends HttpServlet {
// 是否安全？不是，底层使用Impl，里面包含了count这个共享数据，且没有使用锁
private UserService userService = new UserServiceImpl();
public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
userService.update(...);
}
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
// 记录调用次数
private int count = 0;
public void update() {
// ...
count++;
}
}
/*题目3*/
// 这里是Spring的@Aspect，属于单例，也是共享
@Aspect
@Component
public class MyAspect {
// 是否安全？ 不是，start属于共享数据
private long start = 0L;
@Before("execution(* *(..))")
public void before() {
start = System.nanoTime();
}
@After("execution(* *(..))")
public void after() {
long end = System.nanoTime();
System.out.println("cost time:" + (end-start));
}
}
/*题目4*/
public class MyServlet extends HttpServlet {
// 是否安全 是，调用Dao，不具有可变参数
private UserService userService = new UserServiceImpl();
public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
userService.update(...);
}
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
// 是否安全 是，调用Dao，不具有可变参数
private UserDao userDao = new UserDaoImpl();
public void update() {
userDao.update();
}
}
public class UserDaoImpl implements UserDao {
public void update() {
String sql = "update user set password = ? where username = ?";
// 是否安全 是，因为不具有可变参数
try (Connection conn = DriverManager.getConnection("","","")){
// ...
} catch (Exception e) {
// ...
}
}
}
/*题目5*/
public class MyServlet extends HttpServlet {
// 是否安全 不是，具有conn可变参数
private UserService userService = new UserServiceImpl();
public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
userService.update(...);
}
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
// 是否安全 不是，具有conn可变参数
private UserDao userDao = new UserDaoImpl();
public void update() {
userDao.update();
}
}
public class UserDaoImpl implements UserDao {
// 是否安全 不是，具有conn可变参数
private Connection conn = null;
public void update() throws SQLException {
String sql = "update user set password = ? where username = ?";
conn = DriverManager.getConnection("","","");
// ...
conn.close();
}
}
/*题目6*/
public class MyServlet extends HttpServlet {
// 是否安全 但是这里是安全的
// 虽然底层将conn创建在堆里，但是impl层创建了多个userDao对象，导致产生了多个conn不产生安全问题
private UserService userService = new UserServiceImpl();
public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
userService.update(...);
}
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
public void update() {
UserDao userDao = new UserDaoImpl();
userDao.update();
}
}
public class UserDaoImpl implements UserDao {
// 是否安全 不是，具有conn可变参数
private Connection = null;
public void update() throws SQLException {
String sql = "update user set password = ? where username = ?";
conn = DriverManager.getConnection("","","");
// ...
conn.close();
}
}
/*题目7*/
public abstract class Test {
public void bar() {
// 是否安全 不是，局部变量交付给抽象类，抽象类后续子类可能会产生修改：称为外星方法
SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
foo(sdf);
}
public abstract foo(SimpleDateFormat sdf);
public static void main(String[] args) {
new Test().bar();
}
}
经典习题分析
我们给出两个经典习题分析：
/*卖票问题*/
// 源码展示：
public class ExerciseSell {
public static void main(String[] args) {
TicketWindow ticketWindow = new TicketWindow(2000);
List<Thread> list = new ArrayList<>();
// 用来存储买出去多少张票
List<Integer> sellCount = new Vector<>();
for (int i = 0; i < 2000; i++) {
Thread t = new Thread(() -> {
// 分析这里的竞态条件
int count = ticketWindow.sell(randomAmount());
sellCount.add(count);
});
list.add(t);
t.start();
}
list.forEach((t) -> {
try {
t.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
// 买出去的票求和
log.debug("selled count:{}",sellCount.stream().mapToInt(c -> c).sum());
// 剩余票数
log.debug("remainder count:{}", ticketWindow.getCount());
}
// Random 为线程安全
static Random random = new Random();
// 随机 1~5
public static int randomAmount() {
return random.nextInt(5) + 1;
}
}
// 卖票窗口
class TicketWindow {
// 票数，属于共享数据
private int count;
public TicketWindow(int count) {
this.count = count;
}
public int getCount() {
return count;
}
public int sell(int amount) {
if (this.count >= amount) {
this.count -= amount;
return amount;
} else {
return 0;
}
}
}
// 问题分析：
TicketWindow卖票窗口的票属于共享数据，对共享数据的修改需要进行上锁处理，所以我们需要对sell使用synchronized
// 修改展示：
public class ExerciseSell {
public static void main(String[] args) {
TicketWindow ticketWindow = new TicketWindow(2000);
List<Thread> list = new ArrayList<>();
List<Integer> sellCount = new Vector<>();
for (int i = 0; i < 2000; i++) {
Thread t = new Thread(() -> {
int count = ticketWindow.sell(randomAmount());
sellCount.add(count);
});
list.add(t);
t.start();
}
list.forEach((t) -> {
try {
t.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
log.debug("selled count:{}",sellCount.stream().mapToInt(c -> c).sum());
log.debug("remainder count:{}", ticketWindow.getCount());
}
static Random random = new Random();
public static int randomAmount() {
return random.nextInt(5) + 1;
}
}
class TicketWindow {
private int count;
public TicketWindow(int count) {
this.count = count;
}
public int getCount() {
return count;
}
//在方法上加一个synchronized即可
public synchronized int sell(int amount) {
if (this.count >= amount) {
this.count -= amount;
return amount;
} else {
return 0;
}
}
}
/*转账问题*/
// 源码展示
public class ExerciseTransfer {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Account a = new Account(1000);
Account b = new Account(1000);
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
a.transfer(b, randomAmount());
}
}, "t1");
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
b.transfer(a, randomAmount());
}
}, "t2");
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
// 查看转账2000次后的总金额
log.debug("total:{}",(a.getMoney() + b.getMoney()));
}
// Random 为线程安全
static Random random = new Random();
// 随机 1~100
public static int randomAmount() {
return random.nextInt(100) +1;
}
}
class Account {
private int money;
public Account(int money) {
this.money = money;
}
public int getMoney() {
return money;
}
public void setMoney(int money) {
this.money = money;
}
public void transfer(Account target, int amount) {
if (this.money > amount) {
this.setMoney(this.getMoney() - amount);
target.setMoney(target.getMoney() + amount);
}
}
}
// 问题分析：
我们的transfer方法中存在两个对象，一个自身对象，一个被转账用户对象，所以无法使用synchronized方法
但是我们可以暂时将他设置为 static synchronized 直接对账户整体进行上锁来处理问题~
// 修改后代码：
public class ExerciseTransfer {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Account a = new Account(1000);
Account b = new Account(1000);
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
a.transfer(b, randomAmount());
}
}, "t1");
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
b.transfer(a, randomAmount());
}
}, "t2");
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
log.debug("total:{}",(a.getMoney() + b.getMoney()));
}
static Random random = new Random();
public static int randomAmount() {
return random.nextInt(100) +1;
}
}
class Account {
private int money;
public Account(int money) {
this.money = money;
}
public int getMoney() {
return money;
}
public void setMoney(int money) {
this.money = money;
}
public static synchronized void transfer(Account target, int amount) {
if (this.money > amount) {
this.setMoney(this.getMoney() - amount);
target.setMoney(target.getMoney() + amount);
}
}
}
Monitor
这小节我们将会介绍Monitor
Java对象头
在正式开始Monitor介绍之前，我们先来介绍一下Java对象头的定义：
# 以下内容均以32位虚拟机为例
# 普通对象
|--------------------------------------------------------------|
| Object Header (64 bits) |
|------------------------------------|-------------------------|
| Mark Word (32 bits) | Klass Word (32 bits) |
|------------------------------------|-------------------------|
# 数组对象
|---------------------------------------------------------------------------------|
| Object Header (96 bits) |
|--------------------------------|-----------------------|------------------------|
| Mark Word(32bits) | Klass Word(32bits) | array length(32bits) |
|--------------------------------|-----------------------|------------------------|
# 其中 Mark Word 结构为
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| Mark Word (32 bits) | State |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| hashcode:25 | age:4 | biased_lock:0 | 01 | Normal |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
|thread:23|epoch:2| age:4 | biased_lock:1 | 01 | Biased |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| ptr_to_lock_record:30 | 00 | Lightweight Locked |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| ptr_to_heavyweight_monitor:30 | 10 | Heavyweight Locked |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| | 11 | Marked for GC |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
# 其中Klass Word主要存储对象类型名称
# 64位虚拟机的 Mark Word 结构为
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| Mark Word (64 bits) | State |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| unused:25 | hashcode:31 | unused:1 | age:4 | biased_lock:0 | 01 | Normal |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| thread:54 | epoch:2 | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | 01 | Biased |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| ptr_to_lock_record:62 | 00 | Lightweight Locked |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| ptr_to_heavyweight_monitor:62 | 10 | Heavyweight Locked |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| | 11 | Marked for GC |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
Monitor概述
我们来简单介绍一下Monitor：
- Monitor 被翻译为监视器或管程
- 每个 Java 对象都可以关联一个 Monitor 对象，就是我们之前创建的obj对象
- 如果使用 synchronized 给对象上锁（重量级）之后，该对象头的 Mark Word 中就被设置指向 Monitor 对象的指针
我们给出简单示例图：
我们来做简单解释：
-
每个obj都由MarkWord来绑定一个Monitor
-
每个线程都需要经过synchronized(obj)方法进入Monitor
-
首先Monitor主要分为三个部分：WaitSet，EntryList，Owner
-
Owner：属于当前Monitor的正常运行区间，例如Thread-2就是目前运行线程
-
EntryList：属于当前Monitor的等待运行区间，需要等到Thread-2结束线程释放锁资源，Thread3等才可以抢夺锁
-
WaitSet：属于之前获得过锁，但条件不满足进入 WAITING 状态的线程，后面讲 wait-notify 时会分析
此外我们还需要注意：
- synchronized 必须是进入同一个对象的 monitor 才有上述的效果
- 不加 synchronized 的对象不会关联监视器，不遵从以上规则
synchronized锁
这小节我们将会介绍synchronized底层原理和相关锁的内容
synchronized原理
我们会从底层代码来讲解synchronized的原理：
/*源码*/
static final Object lock = new Object();
static int counter = 0;
public static void main(String[] args) {
synchronized (lock) {
counter++;
}
}
/*底层字节码*/
public static void main(java.lang.String[]);
descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=2, locals=3, args_size=1
// 下面是正式字节码过程
// 正常运行阶段
0: getstatic #2 // <- lock引用 （synchronized开始）
3: dup
4: astore_1 // lock引用 -> slot 1（这里提前存储一份锁对象，用于后续的解锁）
5: monitorenter // 将 lock对象 MarkWord 置为 Monitor 指针（这里进行了上锁）
6: getstatic #3 // <- i
9: iconst_1 // 准备常数 1
10: iadd // +1
11: putstatic #3 // -> i
14: aload_1 // <- lock引用
15: monitorexit // 将 lock对象 MarkWord 重置, 唤醒 EntryList（这里进行了解锁）
16: goto 24
// 报错补救阶段（去除锁）
19: astore_2 // e -> slot 2
20: aload_1 // <- lock引用
21: monitorexit // 将 lock对象 MarkWord 重置, 唤醒 EntryList
22: aload_2 // <- slot 2 (e)
23: athrow // throw e
// 代码结束
24: return
// 这里是异常检测器：当出现异常时，移动到异常处理底层代码区域进行解锁操作
Exception table:
from to target type
6 16 19 any
19 22 19 any
LineNumberTable:
line 8: 0
line 9: 6
line 10: 14
line 11: 24
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 25 0 args [Ljava/lang/String;
StackMapTable: number_of_entries = 2
frame_type = 255 /* full_frame */
offset_delta = 19
locals = [ class "[Ljava/lang/String;", class java/lang/Object ]
stack = [ class java/lang/Throwable ]
frame_type = 250 /* chop */
offset_delta = 4
轻量级锁
我们首先来简单介绍一下轻量级锁：
- 如果一个对象虽然有多线程要加锁，但加锁的时间是错开的（也就是没有竞争），那么可以使用轻量级锁来优化。
我们用一个简单的代码实现轻量级锁：
// 下面两个代码都调用了锁，但是他们归根结底属于一个流程，时间错开，这时系统就会避免直接使用Monitor而是用轻量级锁进行优化
static final Object obj = new Object();
public static void method1() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 A
method2();
}
}
public static void method2() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 B
}
}
我们来展示一下实现流程（00轻量级锁，01无锁）：
- 创建锁记录（Lock Record）对象，每个线程都的栈帧都会包含一个锁记录的结构，内部可以存储锁定对象的Mark Word
- 让锁记录中 Object reference 指向锁对象，并尝试用 cas 替换 Object 的 Mark Word，将 Mark Word 的值存入锁记录
- 如果 cas 替换成功，对象头中存储了 锁记录地址和状态 00 ，表示由该线程给对象加锁，这时图示如下
- 当退出 synchronized 代码块（解锁时）如果有取值为 null 的锁记录，表示有重入，这时重置锁记录，表示重入计数减一
- 当退出 synchronized 代码块（解锁时）锁记录的值不为 null，这时使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头
除此之外我们需要注意cas切换不是每次都成功的：
- 如果是其它线程已经持有了该 Object 的轻量级锁，这时表明有竞争，进入锁膨胀过程
- 如果是自己执行了 synchronized 锁重入，那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数
此外最后的cas恢复操作也不是都成功的：
- 成功，则解锁成功
- 失败，说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程
我们给出锁重入时的展示图：
锁膨胀
我们首先简单介绍一下锁膨胀：
- 如果在尝试加轻量级锁的过程中，CAS 操作无法成功，这时一种情况就是有其它线程为此对象加上了轻量级锁（有竞争）
- 这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁。
我们给出部分内容展示：
- 当 Thread-1 进行轻量级加锁时，Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁
- 这时 Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程
- 即为 Object 对象申请 Monitor 锁，让 Object 指向重量级锁地址 ，然后自己进入 Monitor 的 EntryList BLOCKED
- 当 Thread-0 退出同步块解锁时，使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头，失败。
- 这时会进入重量级解锁 流程，即按照 Monitor 地址找到 Monitor 对象，设置 Owner 为 null，唤醒 EntryList 中 BLOCKED 线程
自旋优化
我们同样先来介绍一下自旋优化：
- 重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋来进行优化
- 如果当前线程自旋成功（即这时候持锁线程已经退出了同步块，释放了锁），这时当前线程就可以避免阻塞。
我们给出自旋成功的案例：
| - | 10（重量锁） | - |
| 访问同步块，获取monitor | 10（重量锁）重量锁指针 | - |
| 成功（加锁） | 10（重量锁）重量锁指针 | - |
| 执行同步块 | 10（重量锁）重量锁指针 | - |
| 执行同步块 | 10(重量锁）重量锁指针 | 访问同步块，获取 monitor |
| 执行同步块 | 10（重量锁）重量锁指针 | 自旋重试 |
| 执行完毕 | 10（重量锁）重量锁指针 | 自旋重试 |
| 成功（解锁） | 01（无锁） | 自旋重试 |
| - | 10（重量锁）重量锁指针 | 成功（加锁) |
| - | 10（重量锁）重量锁指针 | 执行同步块 |
| - | ... | ... |
我们也给出自旋失败的案例：
| - | 10（重量锁） | - |
| 访问同步块，获取monitor | 10（重量锁）重量锁指针 | - |
| 成功（加锁) | 10（重量锁）重量锁指针 | - |
| 执行同步块 | 10（重量锁）重量锁指针 | - |
| 执行同步块 | 10（重量锁）重量锁指针 | 访问同步块，获取monitor |
| 执行同步块 | 10（重量锁）重量锁指针 | 自旋重试 |
| 执行同步块 | 10（重量锁）重量锁指针 | 自旋重试 |
| 执行同步块 | 10（重量锁）重量锁指针 | 自旋重试 |
| 执行同步块 | 10（重量锁）重量锁指针 | 阻塞 |
| - | ... | ... |
我们针对自旋添加一些注意信息：
- Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能
- 自旋会占用 CPU 时间，单核 CPU 自旋就是浪费，多核 CPU 自旋才能发挥优势。
- 在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会高，就多自旋几次
- 在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作失败，那么就认为这次自旋成功的可能性会低，少自旋甚至不自旋
偏向锁
我们再来介绍一下偏向锁：
-
轻量级锁在没有竞争时（就自己这个线程），每次重入仍然需要执行 CAS 操作。
-
偏向锁：只有第一次使用 CAS 将线程 ID 设置到对象的 Mark Word 头,之后发现 这个线程ID是自己的表示没有竞争，不用重新 CAS。
-
以后只要不发生竞争，这个对象就归该线程所有
我们给出一个简单实例：
// 下述三个操作完全不具有时间冲突，相当于全由m1来管辖，这时m1使用会进行cas更换，后续m2，m3均不会进行cas切换
static final Object obj = new Object();
public static void m1() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 A
m2();
}
}
public static void m2() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 B
m3();
}
}
public static void m3() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 C
}
}
我们给出简单示例图：
graph LR
subgraph 偏向锁
t5("m1内调用synchronized(obj)")
t6("m2内调用synchronized(obj)")
t7("m2内调用synchronized(obj)")
t8(对象)
t5 -.用ThreadID替换MarkWord.-> t8
t6 -.检查ThreadID是否是自己.-> t8
t7 -.检查ThreadID是否是自己.-> t8
end
subgraph 轻量级锁
t1("m1内调用synchronized(obj)")
t2("m2内调用synchronized(obj)")
t3("m2内调用synchronized(obj)")
t1 -.生成锁记录.-> t1
t2 -.生成锁记录.-> t2
t3 -.生成锁记录.-> t3
t4(对象)
t1 -.用锁记录替换markword.-> t4
t2 -.用锁记录替换markword.-> t4
t3 -.用锁记录替换markword.-> t4
end
偏向状态
首先我们回忆一下对象头格式：
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| Mark Word (64 bits) | State |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| unused:25 | hashcode:31 | unused:1 | age:4 | biased_lock:0 | 01 | Normal |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| thread:54 | epoch:2 | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | 01 | Biased |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| ptr_to_lock_record:62 | 00 | Lightweight Locked |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| ptr_to_heavyweight_monitor:62 | 10 | Heavyweight Locked |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| | 11 | Marked for GC |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
我们进行简单解释：
- Normal：正常锁
- Biased：正常偏向锁
- Lightweight Locked ：轻量级锁
- Heavyweight Locked：重量级锁
- biased_lock : 控制偏向锁的开启的码位
我们针对偏向锁进行简单解释：
- 如果开启了偏向锁(默认开启)那么对象创建后,markword值为0x05即最后3位为101，这时它的 thread、epoch、age 都为 0
- 偏向锁是默认是延迟的，不会在程序启动时立即生效
- 如果想避免延迟，可以加 VM 参数- XX:BiasedLockingStartupDelay=0来禁用延迟
- 如果没有开启偏向锁，那么对象创建后，markword 值为 0x01 即最后 3 位为 001
- 这时它的 hashcode、 age 都为 0，第一次用到 hashcode 时才会赋值
- 但是如果调用了hashcode方法就会导致覆盖掉biased_lock关闭偏向锁
撤销偏向状态
我们这里总结了三种撤销偏向状态的方法
撤销 - 调用对象 hashCode
我们给出简单解释：
- hashcode与biased_lock的字节码位置冲突，若调用hashcode方法得到hashcode就会覆盖掉biased_lock位置，导致偏向锁失效
- 调用了对象的hashCode，但偏向锁的对象MarkWord中存储的是线程 id，如果调用hashCode会导致偏向锁被 撤销
- 轻量级锁会在锁记录中记录 hashCode
- 重量级锁会在 Monitor 中记录 hashCode
撤销 - 其它线程使用对象
我们给出简单解释：
- 当有其它线程使用偏向锁对象时，会将偏向锁升级为轻量级锁
我们给出简单示例：
/*主代码*/
private static void test2() throws InterruptedException {
Dog d = new Dog();
Thread t1 = new Thread(() -> {
synchronized (d) {
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
synchronized (TestBiased.class) {
TestBiased.class.notify();
}
// 如果不用 wait/notify 使用 join 必须打开下面的注释
// 因为：t1 线程不能结束，否则底层线程可能被 jvm 重用作为 t2 线程，底层线程 id 是一样的
/*try {
System.in.read();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}*/
}, "t1");
t1.start();
Thread t2 = new Thread(() -> {
synchronized (TestBiased.class) {
try {
TestBiased.class.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
synchronized (d) {
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}, "t2");
t2.start();
}
/*结果*/
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 01000001 00010000 00000101
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 01000001 00010000 00000101
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 10110101 11110000 01000000
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
撤销 - 调用 wait/notify
我们进行简单解释：
- wait和notify方法都是重量级锁的专属方法，如果调用就会导致升级为重量级锁
我们给出简单代码示例：
/*主代码*/
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Dog d = new Dog();
Thread t1 = new Thread(() -> {
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
synchronized (d) {
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
try {
d.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
}, "t1");
t1.start();
new Thread(() -> {
try {
Thread.sleep(6000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (d) {
log.debug("notify");
d.notify();
}
}, "t2").start();
}
/*结果*/
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 10110011 11111000 00000101
[t2] - notify
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011100 11010100 00001101 11001010
批量重偏向
我们先来介绍一下批量重偏向：
-
如果对象虽然被多个线程访问，但没有竞争，这时偏向了线程 T1 的对象仍有机会重新偏向 T2，重偏向会重置对象 的 Thread ID
-
当撤销偏向锁阈值超过 20 次后，jvm 会这样觉得偏向对象错误，于是会在给这些对象加锁时重新偏向至加锁线程
我们给出简单代码示例：
/*主代码*/
private static void test3() throws InterruptedException {
Vector<Dog> list = new Vector<>();
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 30; i++) {
Dog d = new Dog();
list.add(d);
synchronized (d) {
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
}
synchronized (list) {
list.notify();
}
}, "t1");
t1.start();
Thread t2 = new Thread(() -> {
synchronized (list) {
try {
list.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
log.debug("===============> ");
for (int i = 0; i < 30; i++) {
Dog d = list.get(i);
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
synchronized (d) {
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
}, "t2");
t2.start();
}
/*结果*/
// 我们会发现，最开始都是101，这里设置了偏向锁
[t1] - 0 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 1 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 2 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 3 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 4 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 5 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 6 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 7 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 8 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 9 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 10 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 11 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 12 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 13 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 14 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 15 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 16 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 17 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 18 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 19 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 20 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 21 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 22 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 23 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 24 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 25 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 26 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 27 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 28 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 29 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - ===============>
// 我们会发现这里从101偏向锁撤销，然后变为000无锁，然后变为001轻量级锁
[t2] - 0 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 0 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 0 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 1 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 1 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 1 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 2 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 2 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 2 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 3 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 3 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 3 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 4 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 4 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 4 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 5 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 5 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 5 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 6 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 6 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 6 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 7 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 7 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 7 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 8 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 8 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 8 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 9 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 9 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 9 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 10 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 10 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 10 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 11 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 11 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 11 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 12 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 12 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 12 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 13 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 13 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 13 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 14 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 14 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 14 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 15 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 15 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 15 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 16 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 16 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 16 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 17 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 17 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 17 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 18 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 18 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 18 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
// 在这里超过阈值之后，直接将该锁的偏向对象设置为t2线程，所有锁都设置为了101偏向锁
[t2] - 19 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 19 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 19 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 20 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 20 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 20 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 21 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 21 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 21 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 22 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 22 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 22 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 23 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 23 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 23 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 24 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 24 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 24 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 25 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 25 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 25 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 26 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 26 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 26 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 27 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 27 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 27 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 28 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 28 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 28 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 29 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 29 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 29 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
批量撤销
我们来简单介绍一下批量撤销：
- 当撤销偏向锁阈值超过 40 次后，jvm 会这样觉得偏向错误，根本就不该偏向。
- 于是整个类的所有对象 都会变为不可偏向的，新建的对象也是不可偏向的。
我们给出简单代码示例：
/*主代码*/
static Thread t1,t2,t3;
private static void test4() throws InterruptedException {
Vector<Dog> list = new Vector<>();
int loopNumber = 39;
t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
Dog d = new Dog();
list.add(d);
synchronized (d) {
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
}
LockSupport.unpark(t2);
}, "t1");
t1.start();
t2 = new Thread(() -> {
LockSupport.park();
log.debug("===============> ");
for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
Dog d = list.get(i);
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
synchronized (d) {
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
LockSupport.unpark(t3);
}, "t2");
t2.start();
t3 = new Thread(() -> {
LockSupport.park();
log.debug("===============> ");
for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
Dog d = list.get(i);
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
synchronized (d) {
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
}, "t3");
t3.start();
t3.join();
log.debug(ClassLayout.parseInstance(new Dog()).toPrintableSimple(true));
}
/*运行结果*/
由于过长不做展示了，我们简单介绍一下
最开始a为偏向锁，无撤销行为
然后b开始时进行撤销，为轻量级锁，在撤销20次之后转化为重偏向，改为偏向锁
最后c开始时撤销，但是撤销次20之后（总计40次），导致jvm启动了批量撤销，这时我们的该类中就不会再出现偏向锁，全为轻量级锁和重量锁
锁清除
我们先来介绍一下锁清除操作：
- 由于系统编译前都会经过JIT即时编译器重新编译
- 如果一个线程被锁固定，但是又没有其他线程争抢锁，就会自动将这个锁去掉来加快速率
JIT即时编译的锁清除操作默认是开启的，我们可以调整参数使其关闭：
- -XX:-EliminateLocks
Wait/notify
这小节我们将会介绍Wait/notify的使用以及相关思想
Wait/notify原理
我们首先介绍一下Wait/notify：
- wait：线程等待，但等待期间会放弃lock锁的所属权
- notify：唤醒等待线程，线程重新进入竞争区竞争lock锁的所属权
我们给出一张原理图：
我们对该图进行简单介绍：
- Owner 线程发现条件不满足，调用 wait 方法，即可进入 WaitSet 变为 WAITING 状态
- BLOCKED 和 WAITING 的线程都处于阻塞状态，不占用 CPU 时间片
- BLOCKED 线程会在 Owner 线程释放锁时唤醒
- WAITING 线程会在 Owner 线程调用 notify 或 notifyAll 时唤醒，但唤醒后并不意味者立刻获得锁，仍需进入 EntryList 重新竞争
API 介绍
我们介绍一下常用的Wait/notify的API：
-
obj.wait()让进入 object 监视器的线程到 waitSet 等待 -
obj.notify()在 object 上正在 waitSet 等待的线程中挑一个唤醒 -
obj.notifyAll()让 object 上正在 waitSet 等待的线程全部唤醒
我们仍旧通过简单的代码展示体验API：
/*主代码*/
// 它们都是线程之间进行协作的手段，都属于 Object 对象的方法。必须获得此对象的锁，才能调用这几个方法
final static Object obj = new Object();
public static void main(String[] args) {
new Thread(() -> {
synchronized (obj) {
log.debug("执行....");
try {
obj.wait(); // 让线程在obj上一直等待下去
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
log.debug("其它代码....");
}
}).start();
new Thread(() -> {
synchronized (obj) {
log.debug("执行....");
try {
obj.wait(); // 让线程在obj上一直等待下去
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
log.debug("其它代码....");
}
}).start();
// 主线程两秒后执行
sleep(2);
log.debug("唤醒 obj 上其它线程");
synchronized (obj) {
obj.notify(); // 唤醒obj上一个线程
// obj.notifyAll(); // 唤醒obj上所有等待线程
}
}
/*调用notify*/
20:00:53.096 [Thread-0] c.TestWaitNotify - 执行....
20:00:53.099 [Thread-1] c.TestWaitNotify - 执行....
20:00:55.096 [main] c.TestWaitNotify - 唤醒 obj 上其它线程
20:00:55.096 [Thread-0] c.TestWaitNotify - 其它代码....
/*调用notifyAll*/
19:58:15.457 [Thread-0] c.TestWaitNotify - 执行....
19:58:15.460 [Thread-1] c.TestWaitNotify - 执行....
19:58:17.456 [main] c.TestWaitNotify - 唤醒 obj 上其它线程
19:58:17.456 [Thread-1] c.TestWaitNotify - 其它代码....
19:58:17.456 [Thread-0] c.TestWaitNotify - 其它代码....
此外wait方法还可以设置时间：
-
wait()方法会释放对象的锁，进入 WaitSet 等待区，从而让其他线程就机会获取对象的锁。无限制等待，直到 notify 为止 -
wait(long n)有时限的等待, 到 n 毫秒后结束等待，或是被 notify
Wait/Sleep区别
我们在这里简单介绍一下两者区别：
- sleep 是 Thread 方法，而 wait 是 Object 的方法
- sleep 不需要强制和 synchronized 配合使用，但 wait 需要 和 synchronized 一起用
- sleep 在睡眠的同时，不会释放对象锁的，但 wait 在等待的时候会释放对象锁
- 它们 状态 TIMED_WAITING
wait notify 正常使用
我们通过循序渐进的形式来讲解wait notify的使用：
/*代码介绍*/
我们希望让工人干活，但是工人需要在屋子里干活
小南需要有烟才能干活，小女需要有外卖才能干活，其他人可以直接干活
我们希望模拟***的干活场景
/*第一层*/
// 主代码
static final Object room = new Object();
static boolean hasCigarette = false;
static boolean hasTakeout = false;
new Thread(() -> {
synchronized (room) {
log.debug("有烟没？[{}]", hasCigarette);
if (!hasCigarette) {
log.debug("没烟，先歇会！");
sleep(2);
}
log.debug("有烟没？[{}]", hasCigarette);
if (hasCigarette) {
log.debug("可以开始干活了");
}
}
}, "小南").start();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
new Thread(() -> {
synchronized (room) {
log.debug("可以开始干活了");
}
}, "其它人").start();
}
sleep(1);
new Thread(() -> {
// 这里能不能加 synchronized (room)？
hasCigarette = true;
log.debug("烟到了噢！");
}, "送烟的").start();
// 结果展示
20:49:49.883 [小南] c.TestCorrectPosture - 有烟没？[false]
20:49:49.887 [小南] c.TestCorrectPosture - 没烟，先歇会！
20:49:50.882 [送烟的] c.TestCorrectPosture - 烟到了噢！
20:49:51.887 [小南] c.TestCorrectPosture - 有烟没？[true]
20:49:51.887 [小南] c.TestCorrectPosture - 可以开始干活了
20:49:51.887 [其它人] c.TestCorrectPosture - 可以开始干活了
20:49:51.887 [其它人] c.TestCorrectPosture - 可以开始干活了
20:49:51.888 [其它人] c.TestCorrectPosture - 可以开始干活了
20:49:51.888 [其它人] c.TestCorrectPosture - 可以开始干活了
20:49:51.888 [其它人] c.TestCorrectPosture - 可以开始干活了
// 问题说明
- 其它干活的线程，都要一直阻塞，效率太低
- 小南线程必须睡足 2s 后才能醒来，就算烟提前送到，也无法立刻醒来
- 加了 synchronized (room) 后，就好比小南在里面反锁了门睡觉，烟根本没法送进门，main 没加 synchronized 就好像 main 线程是翻窗户进来的
// 解决方法
- 使用 wait - notify 机制
/*第二层*/
// 主代码
new Thread(() -> {
synchronized (room) {
log.debug("有烟没？[{}]", hasCigarette);
if (!hasCigarette) {
log.debug("没烟，先歇会！");
try {
room.wait(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
log.debug("有烟没？[{}]", hasCigarette);
if (hasCigarette) {
log.debug("可以开始干活了");
}
}
}, "小南").start();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
new Thread(() -> {
synchronized (room) {
log.debug("可以开始干活了");
}
}, "其它人").start();
}
sleep(1);
new Thread(() -> {
synchronized (room) {
hasCigarette = true;
log.debug("烟到了噢！");
room.notify();
}
}, "送烟的").start();
// 结果
解决了其它干活的线程阻塞的问题
// 问题
但如果有其它线程也在等待条件呢？
/*第三层*/
// 主代码
new Thread(() -> {
synchronized (room) {
log.debug("有烟没？[{}]", hasCigarette);
if (!hasCigarette) {
log.debug("没烟，先歇会！");
try {
room.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
log.debug("有烟没？[{}]", hasCigarette);
if (hasCigarette) {
log.debug("可以开始干活了");
} else {
log.debug("没干成活...");
}
}
}, "小南").start();
new Thread(() -> {
synchronized (room) {
Thread thread = Thread.currentThread();
log.debug("外卖送到没？[{}]", hasTakeout);
if (!hasTakeout) {
log.debug("没外卖，先歇会！");
try {
room.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
log.debug("外卖送到没？[{}]", hasTakeout);
if (hasTakeout) {
log.debug("可以开始干活了");
} else {
log.debug("没干成活...");
}
}
}, "小女").start();
sleep(1);
new Thread(() -> {
synchronized (room) {
hasTakeout = true;
log.debug("外卖到了噢！");
room.notify();
}
}, "送外卖的").start();
// 结果
20:53:12.173 [小南] c.TestCorrectPosture - 有烟没？[false]
20:53:12.176 [小南] c.TestCorrectPosture - 没烟，先歇会！
20:53:12.176 [小女] c.TestCorrectPosture - 外卖送到没？[false]
20:53:12.176 [小女] c.TestCorrectPosture - 没外卖，先歇会！
20:53:13.174 [送外卖的] c.TestCorrectPosture - 外卖到了噢！
20:53:13.174 [小南] c.TestCorrectPosture - 有烟没？[false]
20:53:13.174 [小南] c.TestCorrectPosture - 没干成活...
// 问题
notify 只能随机唤醒一个 WaitSet 中的线程，这时如果有其它线程也在等待，那么就可能唤醒不了正确的线 程，称之为【虚假唤醒】
// 解决方法
- 改为 notifyAll
/*第四层*/
// 主代码
new Thread(() -> {
synchronized (room) {
log.debug("有烟没？[{}]", hasCigarette);
if (!hasCigarette) {
log.debug("没烟，先歇会！");
try {
room.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
log.debug("有烟没？[{}]", hasCigarette);
if (hasCigarette) {
log.debug("可以开始干活了");
} else {
log.debug("没干成活...");
}
}
}, "小南").start();
new Thread(() -> {
synchronized (room) {
Thread thread = Thread.currentThread();
log.debug("外卖送到没？[{}]", hasTakeout);
if (!hasTakeout) {
log.debug("没外卖，先歇会！");
try {
room.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
log.debug("外卖送到没？[{}]", hasTakeout);
if (hasTakeout) {
log.debug("可以开始干活了");
} else {
log.debug("没干成活...");
}
}
}, "小女").start();
sleep(1);
new Thread(() -> {
synchronized (room) {
hasTakeout = true;
log.debug("外卖到了噢！");
room.notify();
}
}, "送外卖的").start();
// 结果
20:53:12.173 [小南] c.TestCorrectPosture - 有烟没？[false]
20:53:12.176 [小南] c.TestCorrectPosture - 没烟，先歇会！
20:53:12.176 [小女] c.TestCorrectPosture - 外卖送到没？[false]
20:53:12.176 [小女] c.TestCorrectPosture - 没外卖，先歇会！
20:53:13.174 [送外卖的] c.TestCorrectPosture - 外卖到了噢！
20:53:13.174 [小南] c.TestCorrectPosture - 有烟没？[false]
20:53:13.174 [小南] c.TestCorrectPosture - 没干成活...
// 问题
- 用 notifyAll 仅解决某个线程的唤醒问题，但使用 if + wait 判断仅有一次机会，一旦条件不成立，就没有重新判断的机会了
// 解决方法
- 用 while + wait，当条件不成立，再次 wait
/*第五层*/
// 主代码
while (!hasCigarette) {
log.debug("没烟，先歇会！");
try {
room.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
// 结果
20:58:34.322 [小南] c.TestCorrectPosture - 有烟没？[false]
20:58:34.326 [小南] c.TestCorrectPosture - 没烟，先歇会！
20:58:34.326 [小女] c.TestCorrectPosture - 外卖送到没？[false]
20:58:34.326 [小女] c.TestCorrectPosture - 没外卖，先歇会！
20:58:35.323 [送外卖的] c.TestCorrectPosture - 外卖到了噢！
20:58:35.324 [小女] c.TestCorrectPosture - 外卖送到没？[true]
20:58:35.324 [小女] c.TestCorrectPosture - 可以开始干活了
20:58:35.324 [小南] c.TestCorrectPosture - 没烟，先歇会！
最后我们给出一个wait notify使用的标准模板：
/*标准模板*/
synchronized(lock) {
while(条件不成立) {
lock.wait();
}
// 干活
}
//另一个线程
synchronized(lock) {
lock.notifyAll();
}
模式之保护性暂停
我们将介绍一种新的模式：保护性暂停
简单介绍
我们来介绍一种新的模型：
- 即 Guarded Suspension，用在一个线程等待另一个线程的执行结果
我们讲一下注意点：
- 有一个结果需要从一个线程传递到另一个线程，让他们关联同一个 GuardedObject
- 如果有结果不断从一个线程到另一个线程那么可以使用消息队列（见生产者/消费者）
- JDK 中，join 的实现、Future 的实现，采用的就是此模式
- 因为要等待另一方的结果，因此归类到同步模式‘
我们给出模式图：
具体实现
我们给出基本实现形式：
/*主函数*/
public static void main(String[] args) {
GuardedObject guardedObject = new GuardedObject();
new Thread(() -> {
try {
// 子线程执行下载
List<String> response = download();
log.debug("download complete...");
guardedObject.complete(response);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
log.debug("waiting...");
// 主线程阻塞等待
Object response = guardedObject.get();
log.debug("get response: [{}] lines", ((List<String>) response).size());
}
/*方法类*/
class GuardedObject {
// 我们需要提交的结果
private Object response;
// 我们统一设置的锁
private final Object lock = new Object();
// 这个是得到方法，我们的主线程直接调取方法即可
public Object get() {
synchronized (lock) {
// 条件不满足则等待
while (response == null) {
try {
lock.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
return response;
}
}
// 这个是提交方法，我们的主线程直接调取方法即可
public void complete(Object response) {
synchronized (lock) {
// 条件满足，通知等待线程
this.response = response;
lock.notifyAll();
}
}
}
/*运行结果*/
08:42:18.568 [main] c.TestGuardedObject - waiting...
08:42:23.312 [Thread-0] c.TestGuardedObject - download complete...
08:42:23.312 [main] c.TestGuardedObject - get response: [3] lines
实现改进1
我们当然不希望等待线程一直等待下去，所以我们可以设置一个等待的最大限制：
/*主线程*/
public static void main(String[] args) {
GuardedObjectV2 v2 = new GuardedObjectV2();
new Thread(() -> {
sleep(1);
v2.complete(null);
sleep(1);
v2.complete(Arrays.asList("a", "b", "c"));
}).start();
Object response = v2.get(2500);
if (response != null) {
log.debug("get response: [{}] lines", ((List<String>) response).size());
} else {
log.debug("can't get response");
}
}
/*方法类*/
class GuardedObjectV2 {
private Object response;
private final Object lock = new Object();
public Object get(long millis) {
synchronized (lock) {
// 1) 记录最初时间
long begin = System.currentTimeMillis();
// 2) 已经经历的时间
long timePassed = 0;
while (response == null) {
// 4) 假设 millis 是 1000，结果在 400 时唤醒了，那么还有 600 要等
long waitTime = millis - timePassed;
log.debug("waitTime: {}", waitTime);
if (waitTime <= 0) {
log.debug("break...");
break;
}
try {
lock.wait(waitTime);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 3) 如果提前被唤醒，这时已经经历的时间假设为 400
timePassed = System.currentTimeMillis() - begin;
log.debug("timePassed: {}, object is null {}",
timePassed, response == null);
}
return response;
}
}
public void complete(Object response) {
synchronized (lock) {
// 条件满足，通知等待线程
this.response = response;
log.debug("notify...");
lock.notifyAll();
}
}
}
/*输出（未超时版）*/
08:49:39.917 [main] c.GuardedObjectV2 - waitTime: 2500
08:49:40.917 [Thread-0] c.GuardedObjectV2 - notify...
08:49:40.917 [main] c.GuardedObjectV2 - timePassed: 1003, object is null true
08:49:40.917 [main] c.GuardedObjectV2 - waitTime: 1497
08:49:41.918 [Thread-0] c.GuardedObjectV2 - notify...
08:49:41.918 [main] c.GuardedObjectV2 - timePassed: 2004, object is null false
08:49:41.918 [main] c.TestGuardedObjectV2 - get response: [3] lines
/*输出（超时版）*/
08:47:54.963 [main] c.GuardedObjectV2 - waitTime: 1500
08:47:55.963 [Thread-0] c.GuardedObjectV2 - notify...
08:47:55.963 [main] c.GuardedObjectV2 - timePassed: 1002, object is null true
08:47:55.963 [main] c.GuardedObjectV2 - waitTime: 498
08:47:56.461 [main] c.GuardedObjectV2 - timePassed: 1500, object is null true
08:47:56.461 [main] c.GuardedObjectV2 - waitTime: 0
08:47:56.461 [main] c.GuardedObjectV2 - break...
08:47:56.461 [main] c.TestGuardedObjectV2 - can't get response
08:47:56.963 [Thread-0] c.GuardedObjectV2 - notify...
实现改进2
但是我们的实际项目中，我们会进行多任务的工作，我们下面来进行改造
我们先对项目进行介绍：
- 图中 Futures 就好比居民楼一层的信箱（每个信箱有房间编号）
- 左侧的 t0，t2，t4 就好比等待邮件的居民，右 侧的 t1，t3，t5 好比邮递员 。
我们在对耦合类进行介绍：
- 如果需要在多个类之间使用 GuardedObject 对象，作为参数传递不是很方便，因此设计一个用来解耦的中间类
- 这样不仅能够解耦【结果等待者】和【结果生产者】，还能够同时支持多个任务的管理。
我们给出项目的一张展示图：
我们来展示具体实现代码：
/*当然下面项目的逻辑并非很通顺，我们这里也只是对模式进行介绍而设计的*/
/*测试主函数*/
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
for (int i = 0; i < 3; i++) {
new People().start();
}
Sleeper.sleep(1);
for (Integer id : Mailboxes.getIds()) {
new Postman(id, "内容" + id).start();
}
}
/*业务层实现*/
class People extends Thread{
@Override
public void run() {
// 收信
GuardedObject guardedObject = Mailboxes.createGuardedObject();
log.debug("开始收信 id:{}", guardedObject.getId());
Object mail = guardedObject.get(5000);
log.debug("收到信 id:{}, 内容:{}", guardedObject.getId(), mail);
}
}
class Postman extends Thread {
private int id;
private String mail;
public Postman(int id, String mail) {
this.id = id;
this.mail = mail;
}
@Override
public void run() {
GuardedObject guardedObject = Mailboxes.getGuardedObject(id);
log.debug("送信 id:{}, 内容:{}", id, mail);
guardedObject.complete(mail);
}
}
/*解耦类交互*/
class Mailboxes {
private static Map<Integer, GuardedObject> boxes = new Hashtable<>();
private static int id = 1;
// 产生唯一 id，方法必须声明为synchronized
private static synchronized int generateId() {
return id++;
}
public static GuardedObject getGuardedObject(int id) {
return boxes.remove(id);
}
public static GuardedObject createGuardedObject() {
GuardedObject go = new GuardedObject(generateId());
boxes.put(go.getId(), go);
return go;
}
public static Set<Integer> getIds() {
return boxes.keySet();
}
}
/*底层实现*/
class GuardedObject {
// 标识 Guarded Object
private int id;
public GuardedObject(int id) {
this.id = id;
}
public int getId() {
return id;
}
// 结果
private Object response;
// 获取结果
// timeout 表示要等待多久 2000
public Object get(long timeout) {
synchronized (this) {
// 开始时间 15:00:00
long begin = System.currentTimeMillis();
// 经历的时间
long passedTime = 0;
while (response == null) {
// 这一轮循环应该等待的时间
long waitTime = timeout - passedTime;
// 经历的时间超过了最大等待时间时，退出循环
if (timeout - passedTime <= 0) {
break;
}
try {
this.wait(waitTime); // 虚假唤醒 15:00:01
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 求得经历时间
passedTime = System.currentTimeMillis() - begin; // 15:00:02 1s
}
return response;
}
}
// 产生结果
public void complete(Object response) {
synchronized (this) {
// 给结果成员变量赋值
this.response = response;
this.notifyAll();
}
}
}
/*运行结果*/
10:35:05.689 c.People [Thread-1] - 开始收信 id:3
10:35:05.689 c.People [Thread-2] - 开始收信 id:1
10:35:05.689 c.People [Thread-0] - 开始收信 id:2
10:35:06.688 c.Postman [Thread-4] - 送信 id:2, 内容:内容2
10:35:06.688 c.Postman [Thread-5] - 送信 id:1, 内容:内容1
10:35:06.688 c.People [Thread-0] - 收到信 id:2, 内容:内容2
10:35:06.688 c.People [Thread-2] - 收到信 id:1, 内容:内容1
10:35:06.688 c.Postman [Thread-3] - 送信 id:3, 内容:内容3
10:35:06.689 c.People [Thread-1] - 收到信 id:3, 内容:内容3
模式之生产者消费者
我们将介绍一种新的模式：生产者消费者
简单介绍
我们来介绍一种新的模型：
- 这里由一系列生产者只负责生产，一系列消费之只负责消费，不用负责对应关系
我们对其进行部分介绍：
- 与前面的保护性暂停中的 GuardObject 不同，不需要产生结果和消费结果的线程一一对应
- 消费队列可以用来平衡生产和消费的线程资源
- 生产者仅负责产生结果数据，不关心数据该如何处理，而消费者专心处理结果数据
- 消息队列是有容量限制的，满时不会再加入数据，空时不会再消耗数据
- JDK 中各种阻塞队列，采用的就是这种模式
我们给出该模式的展示图：
具体实现
我们给出基本实现形式：
/*主函数*/
MessageQueue messageQueue = new MessageQueue(2);
// 4 个生产者线程, 下载任务
for (int i = 0; i < 4; i++) {
int id = i;
new Thread(() -> {
try {
log.debug("download...");
List<String> response = Downloader.download();
log.debug("try put message({})", id);
messageQueue.put(new Message(id, response));
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "生产者" + i).start();
}
// 1 个消费者线程, 处理结果
new Thread(() -> {
while (true) {
Message message = messageQueue.take();
List<String> response = (List<String>) message.getMessage();
log.debug("take message({}): [{}] lines", message.getId(), response.size());
}
}, "消费者").start();
/*模式底层代码*/
class Message {
private int id;
private Object message;
public Message(int id, Object message) {
this.id = id;
this.message = message;
}
public int getId() {
return id;
}
public Object getMessage() {
return message;
}
}
class MessageQueue {
private LinkedList<Message> queue;
private int capacity;
public MessageQueue(int capacity) {
this.capacity = capacity;
queue = new LinkedList<>();
}
public Message take() {
synchronized (queue) {
while (queue.isEmpty()) {
log.debug("没货了, wait");
try {
queue.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
Message message = queue.removeFirst();
queue.notifyAll();
return message;
}
}
public void put(Message message) {
synchronized (queue) {
while (queue.size() == capacity) {
log.debug("库存已达上限, wait");
try {
queue.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
queue.addLast(message);
queue.notifyAll();
}
}
}
/*运行结果*/
10:48:38.070 [生产者3] c.TestProducerConsumer - download...
10:48:38.070 [生产者0] c.TestProducerConsumer - download...
10:48:38.070 [消费者] c.MessageQueue - 没货了, wait
10:48:38.070 [生产者1] c.TestProducerConsumer - download...
10:48:38.070 [生产者2] c.TestProducerConsumer - download...
10:48:41.236 [生产者1] c.TestProducerConsumer - try put message(1)
10:48:41.237 [生产者2] c.TestProducerConsumer - try put message(2)
10:48:41.236 [生产者0] c.TestProducerConsumer - try put message(0)
10:48:41.237 [生产者3] c.TestProducerConsumer - try put message(3)
10:48:41.239 [生产者2] c.MessageQueue - 库存已达上限, wait
10:48:41.240 [生产者1] c.MessageQueue - 库存已达上限, wait
10:48:41.240 [消费者] c.TestProducerConsumer - take message(0): [3] lines
10:48:41.240 [生产者2] c.MessageQueue - 库存已达上限, wait
10:48:41.240 [消费者] c.TestProducerConsumer - take message(3): [3] lines
10:48:41.240 [消费者] c.TestProducerConsumer - take message(1): [3] lines
10:48:41.240 [消费者] c.TestProducerConsumer - take message(2): [3] lines
10:48:41.240 [消费者] c.MessageQueue - 没货了, wait
park
这小节我们将会介绍park的使用
park基本使用
我们首先来介绍一下park和unpark：
- 它们是 LockSupport 类中的方法，用于控制线程的暂停
我们来介绍一下park的特点（与Wait和notify的区别）：
- wait，notify 和 notifyAll 必须配合 Object Monitor 一起使用，而 park，unpark 不必
- park & unpark 是以线程为单位来【阻塞】和【唤醒】线程
- 而 notify 只能随机唤醒一个等待线程，notifyAll 是唤醒所有等待线程，就不那么【精确】
- park & unpark 可以先 unpark，而 wait & notify 不能先 notify
我们给出基本的使用格式：
// 暂停当前线程
LockSupport.park();
// 恢复某个线程的运行
LockSupport.unpark(暂停线程对象)
我们给出一个简单的案例：
/*先park后unpark*/
// 代码
Thread t1 = new Thread(() -> {
log.debug("start...");
sleep(1);
log.debug("park...");
LockSupport.park();
log.debug("resume...");
},"t1");
t1.start();
sleep(2);
log.debug("unpark...");
LockSupport.unpark(t1);
// 结果
18:42:52.585 c.TestParkUnpark [t1] - start...
18:42:53.589 c.TestParkUnpark [t1] - park...
18:42:54.583 c.TestParkUnpark [main] - unpark...
18:42:54.583 c.TestParkUnpark [t1] - resume...
/*先unpark后park*/
// 代码
Thread t1 = new Thread(() -> {
log.debug("start...");
sleep(2);
log.debug("park...");
LockSupport.park();
log.debug("resume...");
}, "t1");
t1.start();
sleep(1);
log.debug("unpark...");
LockSupport.unpark(t1);
// 结果
18:43:50.765 c.TestParkUnpark [t1] - start...
18:43:51.764 c.TestParkUnpark [main] - unpark...
18:43:52.769 c.TestParkUnpark [t1] - park...
18:43:52.769 c.TestParkUnpark [t1] - resume...
/*结论*/
不管是先park后unpark还是先unpark再park，unpark都起到了解锁的作用！
park底层讲解
我们来讲解一下park的底层思路，这样你就能明白unpark为什么位置随意摆放了！
每个线程都有自己的一个 Parker 对象(由C++编写，java中不可见)，由三部分组成 _counter ， _cond 和 _mutex
我们只需要了解counter即可：
- counter：线程可执行次数，最小为0，最多为1；默认为0
那么我们再来解析park和unpark操作：
- park：检查当前的counter次数，如果为1，就继续执行，并将其--；如果为0，就停止线程操作
- unpark：将counter++；并且检查当前线程状态，若为暂停，则将counter--，同时启动线程；若为运行，直接counter++即可
我们采用一个简单的比喻：
- _counter 就好比背包中 的备用干粮（0 为耗尽，1 为充足）
- 调用 park 就是要看需不需要停下来歇息
- 如果备用干粮耗尽，那么钻进帐篷歇息
- 如果备用干粮充足，那么不需停留，继续前进
- 调用 unpark，就好比令干粮充足
- 如果这时线程还在休息，就唤醒让他继续前进
- 如果这时线程还在运行，那么下次他调用 park 时，仅是消耗掉备用干粮，不需停留继续前进
我们分别给出三种状态展示：
- 第一种
1. 当前线程调用 Unsafe.park() 方法
2. 检查 _counter ，本情况为 0，这时，获得 _mutex 互斥锁
3. 线程进入 _cond 条件变量阻塞
4. 设置 _counter = 0
- 第二种
1. 调用 Unsafe.unpark(Thread_0) 方法，设置 _counter 为 1
2. 唤醒 _cond 条件变量中的 Thread_0
3. Thread_0 恢复运行
4. 设置 _counter 为 0
- 第三种
1. 调用 Unsafe.unpark(Thread_0) 方法，设置 _counter 为 1
2. 当前线程调用 Unsafe.park() 方法
3. 检查 _counter ，本情况为 1，这时线程无需阻塞，继续运行
4. 设置 _counter 为 0
线程状态转换详解
这小节我们将会介绍线程状态转换的所有情况
线程状态转换示意图
我们首先给出总的展示图：
情况 1 NEW --> RUNNABLE
- 当调用
t.start()方法时，由 NEW --> RUNNABLE
情况 2 RUNNABLE <--> WAITING
t 线程用 synchronized(obj) 获取了对象锁后
- 调用
obj.wait()方法时，t 线程从RUNNABLE --> WAITING - 调用
obj.notify()，obj.notifyAll()，t.interrupt()时- 竞争锁成功，t 线程从
WAITING --> RUNNABLE - 竞争锁失败，t 线程从
WAITING --> BLOCKED
- 竞争锁成功，t 线程从
情况 3 RUNNABLE <--> WAITING
-
当前线程调用
t.join()方法时，当前线程从RUNNABLE --> WAITING注意是当前线程在t 线程对象的监视器上等待 -
t 线程运行结束，或调用了当前线程的 interrupt() 时，当前线程从
WAITING --> RUNNABLE
情况 4 RUNNABLE <--> WAITING
-
当前线程调用
LockSupport.park()方法会让当前线程从RUNNABLE --> WAITING - 调用
LockSupport.unpark(目标线程) 或调用了线程 的interrupt()，会让目标线程从WAITING --> RUNNABLE
情况 5 RUNNABLE <--> TIMED_WAITING
t 线程用 synchronized(obj) 获取了对象锁后
- 调用
obj.wait(long n)方法时，t 线程从RUNNABLE --> TIMED_WAITING -
t 线程等待时间超过了 n 毫秒，或调用
obj.notify()，obj.notifyAll()，t.interrupt()时- 竞争锁成功，t 线程从
TIMED_WAITING --> RUNNABLE - 竞争锁失败，t 线程从
TIMED_WAITING --> BLOCKED
- 竞争锁成功，t 线程从
情况 6 RUNNABLE <--> TIMED_WAITING
-
当前线程调用
t.join(long n)方法时，当前线程从RUNNABLE --> TIMED_WAITING注意是当前线程在t 线程对象的监视器上等待 -
当前线程等待时间超过了 n 毫秒，或t 线程运行结束，或调用了当前线程的
interrupt()时，当前线程从TIMED_WAITING --> RUNNABLE
情况 7 RUNNABLE <--> TIMED_WAITING
-
当前线程调用
Thread.sleep(long n)，当前线程从RUNNABLE --> TIMED_WAITING -
当前线程等待时间超过了 n 毫秒，当前线程从
TIMED_WAITING --> RUNNABLE
情况 8 RUNNABLE <--> TIMED_WAITING
-
当前线程调用
LockSupport.parkNanos(long nanos)或LockSupport.parkUntil(long millis)时，当前线程从RUNNABLE --> TIMED_WAITING - 调用
LockSupport.unpark(目标线程) 或调用了线程 的interrupt()，或是等待超时，会让目标线程从TIMED_WAITING--> RUNNABLE
情况 9 RUNNABLE <--> BLOCKED
-
t 线程用
synchronized(obj)获取了对象锁时如果竞争失败，从RUNNABLE --> BLOCKED - 持 obj 锁线程的同步代码块执行完毕，会唤醒该对象上所有
BLOCKED的线程重新竞争，如果其中 t 线程竞争 成功，从BLOCKED --> RUNNABLE，其它失败的线程仍然BLOCKED
情况 10 RUNNABLE <--> TERMINATED
- 当前线程所有代码运行完毕，进入
TERMINATED
多锁操作
这小节我们将会介绍多锁操作
多锁操作简述
首先我们来介绍一下多锁操作：
- 我们在实际开发中一把锁并不能解决所有问题，我们需要采用不同的锁来加快速率
我们给出多锁操作的优缺点：
- 好处，是可以增强并发度
- 坏处，如果一个线程需要同时获得多把锁，就容易发生死锁
- 前提：两把锁锁住的两段代码互不相关
我们给出一个简单的多锁操作案例：
/*问题*/
一间大屋子有两个功能：睡觉、学习，互不相干。
现在小南要学习，小女要睡觉，但如果只用一间屋子（一个对象锁）的话，那么并发度很低
解决方法是准备多个房间（多个对象锁）
/*代码*/
// 主代码
BigRoom bigRoom = new BigRoom();
new Thread(() -> {
bigRoom.compute();
},"小南").start();
new Thread(() -> {
bigRoom.sleep();
},"小女").start();
// 多锁操作
class BigRoom {
private final Object studyRoom = new Object();
private final Object bedRoom = new Object();
public void sleep() {
synchronized (bedRoom) {
log.debug("sleeping 2 小时");
Sleeper.sleep(2);
}
}
public void study() {
synchronized (studyRoom) {
log.debug("study 1 小时");
Sleeper.sleep(1);
}
}
}
/*结果*/
12:15:35.069 [小南] c.BigRoom - study 1 小时
12:15:35.069 [小女] c.BigRoom - sleeping 2 小时
活跃性
这小节我们将会介绍活跃性
死锁
我们首先介绍一下死锁：
- 一个线程需要同时获取多把锁，这时就容易发生死锁
-
t1 线程获得A对象锁，接下来想获取B对象的锁t2 线程获得B对象锁，接下来想获取A对象的锁
我们给出一个实际案例：
/*代码展示*/
Object A = new Object();
Object B = new Object();
Thread t1 = new Thread(() -> {
synchronized (A) {
log.debug("lock A");
sleep(1);
synchronized (B) {
log.debug("lock B");
log.debug("操作...");
}
}
}, "t1");
Thread t2 = new Thread(() -> {
synchronized (B) {
log.debug("lock B");
sleep(0.5);
synchronized (A) {
log.debug("lock A");
log.debug("操作...");
}
}
}, "t2");
t1.start();
t2.start();
/*结果*/
12:22:06.962 [t2] c.TestDeadLock - lock B
12:22:06.962 [t1] c.TestDeadLock - lock A
活锁
我们再来介绍一下活锁：
- 活锁出现在两个线程互相改变对方的结束条件，最后谁也无法结束
我们给出一个简单案例：
public class TestLiveLock {
static volatile int count = 10;
static final Object lock = new Object();
public static void main(String[] args) {
new Thread(() -> {
// 期望减到 0 退出循环
while (count > 0) {
sleep(0.2);
count--;
log.debug("count: {}", count);
}
}, "t1").start();
new Thread(() -> {
// 期望超过 20 退出循环
while (count < 20) {
sleep(0.2);
count++;
log.debug("count: {}", count);
}
}, "t2").start();
}
}
活锁解决方法：
- 错开线程的运行时间，使得一方不能改变另一方的结束条件。
- 将睡眠时间调整为随机数。
饥饿
我们来简单介绍一下饥饿：
- 一个线程由于优先级太低，始终得不到 CPU 调度执行，也不能够结束，饥饿的情况不易演示，讲读写锁时会涉及饥饿问题
我们这里给出一个简单案例：
- 我们在开始时创建一个优先级为1的操作
- 然后我们不断创建优先级大于1的操作，这些操作导致CPU没有空闲时间
- 最后所有进程都在不断执行，但是由于最开始的操作优先级过低无法调度，导致造成饥饿
ReentrantLock
这小节我们将会介绍ReentrantLock
ReentrantLock简述
我们首先介绍一下ReentrantLock：
- ReentrantLock也是一种锁，级别同synchronized锁相同，但是相比而言更加高级
我们来介绍ReentrantLock的优势：
- 可中断
- 可以设置超时时间
- 可以设置为公平锁
- 支持多个条件变量
- 与 synchronized 一样，都支持可重入
我们来介绍一下基本语法：
// 创造对象
private ReentrantLock reentrantLock;
// 获取锁(上锁)
reentrantLock.lock();
try {
// 临界区
} finally {
// 释放锁
reentrantLock.unlock();
}
可重入性
我们首先来介绍一下可重入性：
- 可重入是指同一个线程如果首次获得了这把锁，那么因为它是这把锁的拥有者，因此有权利再次获取这把锁
- 如果是不可重入锁，那么第二次获得锁时，自己也会被锁挡住。
我们给出一个简单案例：
/*代码展示*/
static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public static void main(String[] args) {
method1();
}
public static void method1() {
lock.lock();
try {
log.debug("execute method1");
method2();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public static void method2() {
lock.lock();
try {
log.debug("execute method2");
method3();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public static void method3() {
lock.lock();
try {
log.debug("execute method3");
} finally {
lock.unlock();
}
}
/*结果展示*/
17:59:11.862 [main] c.TestReentrant - execute method1
17:59:11.865 [main] c.TestReentrant - execute method2
17:59:11.865 [main] c.TestReentrant - execute method3
/*结果分析*/
上述的的调用均由main线程调用
方法中均采用了lock方法上锁，且main一直没有解锁
由于具有可重入性，main可以执行m1，m2，m3的方法，如果没有可重入性，则会导致线程卡死
可打断性
我们来简单介绍一下可打断性：
- 可打断指的是处于阻塞状态等待锁的线程可以被打断等待。
- 注意
lock.lockInterruptibly()和lock.trylock()方法是可打断的,lock.lock()不是。 - 可打断的意义在于避免得不到锁的线程无限制地等待下去，防止死锁的一种方式。
我们给出一个简单的示例：
/*可打断性代码展示（lock.lockInterruptibly）*/
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Thread t1 = new Thread(() -> {
log.debug("启动...");
try {
lock.lockInterruptibly();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
log.debug("等锁的过程中被打断");
return;
}
try {
log.debug("获得了锁");
} finally {
lock.unlock();
}
}, "t1");
lock.lock();
log.debug("获得了锁");
t1.start();
try {
sleep(1);
t1.interrupt();
log.debug("执行打断");
} finally {
lock.unlock();
}
/*可打断性结果展示（lock.lockInterruptibly）*/
18:02:40.520 [main] c.TestInterrupt - 获得了锁
18:02:40.524 [t1] c.TestInterrupt - 启动...
18:02:41.530 [main] c.TestInterrupt - 执行打断
java.lang.InterruptedException
at
java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.doAcquireInterruptibly(AbstractQueuedSynchr
onizer.java:898)
at
java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireInterruptibly(AbstractQueuedSynchron
izer.java:1222)
at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.lockInterruptibly(ReentrantLock.java:335)
at cn.itcast.n4.reentrant.TestInterrupt.lambda$main$0(TestInterrupt.java:17)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
18:02:41.532 [t1] c.TestInterrupt - 等锁的过程中被打断
/*不可打断性代码展示（lock.lock()）*/
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Thread t1 = new Thread(() -> {
log.debug("启动...");
try {
lock.lock();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
log.debug("等锁的过程中被打断");
return;
}
try {
log.debug("获得了锁");
} finally {
lock.unlock();
}
}, "t1");
lock.lock();
log.debug("获得了锁");
t1.start();
try {
sleep(1);
t1.interrupt();
log.debug("执行打断");
} finally {
lock.unlock();
}
/*不可打断性结果展示（lock.lock）*/
18:06:56.261 [main] c.TestInterrupt - 获得了锁
18:06:56.265 [t1] c.TestInterrupt - 启动...
18:06:57.266 [main] c.TestInterrupt - 执行打断 // 这时 t1 并没有被真正打断, 而是仍继续等待锁
18:06:58.267 [main] c.TestInterrupt - 释放了锁
18:06:58.267 [t1] c.TestInterrupt - 获得了锁
锁超时
我们的Reentrant Lock可以设置锁超时特性：
// 立刻检测
lock.tryLock()
// 时间内检测
lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)
我们给出简单示例：
/*立刻检测代码展示*/
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Thread t1 = new Thread(() -> {
log.debug("启动...");
if (!lock.tryLock()) {
log.debug("获取立刻失败，返回");
return;
}
try {
log.debug("获得了锁");
} finally {
lock.unlock();
}
}, "t1");
lock.lock();
log.debug("获得了锁");
t1.start();
try {
sleep(2);
} finally {
lock.unlock();
}
/*立刻检测结果*/
18:15:02.918 [main] c.TestTimeout - 获得了锁
18:15:02.921 [t1] c.TestTimeout - 启动...
18:15:02.921 [t1] c.TestTimeout - 获取立刻失败，返回
/*延时检测代码展示*/
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Thread t1 = new Thread(() -> {
log.debug("启动...");
try {
if (!lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {
log.debug("获取等待 1s 后失败，返回");
return;
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
try {
log.debug("获得了锁");
} finally {
lock.unlock();
}
}, "t1");
lock.lock();
log.debug("获得了锁");
t1.start();
try {
sleep(2);
} finally {
lock.unlock();
}
/*延时检测结果*/
18:19:40.537 [main] c.TestTimeout - 获得了锁
18:19:40.544 [t1] c.TestTimeout - 启动...
18:19:41.547 [t1] c.TestTimeout - 获取等待 1s 后失败，返回
同时我们会发现这个特性可以用来解决哲学家用餐问题：
/*主代码*/
class Philosopher extends Thread {
Chopstick left;
Chopstick right;
public Philosopher(String name, Chopstick left, Chopstick right) {
super(name);
this.left = left;
this.right = right;
}
@Override
public void run() {
while (true) {
// 尝试获得左手筷子（当获取失败会释放当前资源，不会导致资源堵塞）
if (left.tryLock()) {
try {
// 尝试获得右手筷子（当获取失败会释放当前资源，不会导致资源堵塞）
if (right.tryLock()) {
try {
eat();
} finally {
right.unlock();
}
}
} finally {
left.unlock();
}
}
}
}
private void eat() {
log.debug("eating...");
Sleeper.sleep(1);
}
}
/*筷子类*/
class Chopstick extends ReentrantLock {
String name;
public Chopstick(String name) {
this.name = name;
}
@Override
public String toString() {
return "筷子{" + name + '}';
}
}
公平锁
我们来简单解释一下公平锁：
- 公平锁会有系统来做出判断，主动按照顺序来控制锁的归属权
默认情况下，公平锁是关闭的，我们如果开启需要手动设置：
// 开启公平锁
ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
我们需要注意：
- 公平锁一般没有必要，会降低并发度
条件变量
我们首先来介绍一下条件变量：
-
条件变量相比于休息室，当当前线程无法继续运行时，我们将其设置进条件变量进行暂停操作
-
synchronized 中也有条件变量，就是我们讲原理时那个 waitSet 休息室，当条件不满足时进入 waitSet 等待
我们需要注意的是ReentrantLock的条件变量是优秀的：
- synchronized 是那些不满足条件的线程都在一间休息室等消息
- 而 ReentrantLock 支持多间休息室，有专门等烟的休息室、专门等早餐的休息室、唤醒时也是按休息室来唤 醒
我们来讲一些使用要点：
- await 前需要获得锁
- await 执行后，会释放锁，进入 conditionObject 等待
- await 的线程被唤醒（或打断、或超时）取重新竞争 lock 锁
- 竞争 lock 锁成功后，从 await 后继续执行
我们给出一些简单的使用指南：
// 首先需要一个ReentrantLock对象
public ReentrantLock reentrantLock;
// 我们需要根据对象设置一些条件变量
static Condition waitCigaretteQueue = lock.newCondition();
static Condition waitbreakfastQueue = lock.newCondition();
// 表示这个线程将会在waitCigaretteQueue的条件变量中休息，相当于wait
waitCigaretteQueue.await();
// 这个就表示将waitCigaretteQueue的线程释放一个，相当于notify
waitCigaretteQueue.signal();
// 这个就表示将waitCigaretteQueue的线程释放全部，相当于notifyAll
waitCigaretteQueue.signalAll();
我们给出一个简单实例：
/*代码展示*/
static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
static Condition waitCigaretteQueue = lock.newCondition();
static Condition waitbreakfastQueue = lock.newCondition();
static volatile boolean hasCigrette = false;
static volatile boolean hasBreakfast = false;
public static void main(String[] args) {
new Thread(() -> {
try {
lock.lock();
while (!hasCigrette) {
try {
waitCigaretteQueue.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
log.debug("等到了它的烟");
} finally {
lock.unlock();
}
}).start();
new Thread(() -> {
try {
lock.lock();
while (!hasBreakfast) {
try {
waitbreakfastQueue.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
log.debug("等到了它的早餐");
} finally {
lock.unlock();
}
}).start();
sleep(1);
sendBreakfast();
sleep(1);
sendCigarette();
}
private static void sendCigarette() {
lock.lock();
try {
log.debug("送烟来了");
hasCigrette = true;
waitCigaretteQueue.signal();
} finally {
lock.unlock();
}
}
private static void sendBreakfast() {
lock.lock();
try {
log.debug("送早餐来了");
hasBreakfast = true;
waitbreakfastQueue.signal();
} finally {
lock.unlock();
}
}
/*结果展示*/
18:52:27.680 [main] c.TestCondition - 送早餐来了
18:52:27.682 [Thread-1] c.TestCondition - 等到了它的早餐
18:52:28.683 [main] c.TestCondition - 送烟来了
18:52:28.683 [Thread-0] c.TestCondition - 等到了它的烟
同步模式之顺序控制
我们在这里介绍一下同步模型下的顺序控制的几种方法
固定运行顺序
我们需要以固定的顺序来执行线程，例如先打印2在打印1
wait notify 版
我们直接给出相关代码：
// 用来同步的对象
static Object obj = new Object();
// t2 运行标记， 代表 t2 是否执行过
static boolean t2runed = false;
public static void main(String[] args) {
Thread t1 = new Thread(() -> {
synchronized (obj) {
// 如果 t2 没有执行过
while (!t2runed) {
try {
// t1 先等一会
obj.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
System.out.println(1);
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
System.out.println(2);
synchronized (obj) {
// 修改运行标记
t2runed = true;
// 通知 obj 上等待的线程（可能有多个，因此需要用 notifyAll）
obj.notifyAll();
}
});
t1.start();
t2.start();
}
Park Unpark 版
我们之前的wait/notify相对而言比较麻烦：
- 首先，需要保证先 wait 再 notify，否则 wait 线程永远得不到唤醒。因此使用了『运行标记』来判断该不该 wait
- 第二，如果有些干扰线程错误地 notify 了 wait 线程，条件不满足时还要重新等待，使用了 while 循环来解决 此问题
- 最后，唤醒对象上的 wait 线程需要使用 notifyAll，因为『同步对象』上的等待线程可能不止一个
我们采用park和unpark来进行简化操作：
Thread t1 = new Thread(() -> {
try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { }
// 当没有『许可』时，当前线程暂停运行；有『许可』时，用掉这个『许可』，当前线程恢复运行
LockSupport.park();
System.out.println("1");
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
System.out.println("2");
// 给线程 t1 发放『许可』（多次连续调用 unpark 只会发放一个『许可』）
LockSupport.unpark(t1);
});
t1.start();
t2.start();
交替输出顺序
我们需要以固定的交替顺序来执行线程，例如先t1后t2执行五次
wait notify 版
我们直接给出相关代码：
public class TestState {
SyncWaitNotify syncWaitNotify = new SyncWaitNotify(1, 5);
new Thread(() -> {
syncWaitNotify.print(1, 2, "a");
}).start();
new Thread(() -> {
syncWaitNotify.print(2, 3, "b");
}).start();
new Thread(() -> {
syncWaitNotify.print(3, 1, "c");
}).start();
}
class SyncWaitNotify {
private int flag;
private int loopNumber;
public SyncWaitNotify(int flag, int loopNumber) {
this.flag = flag;
this.loopNumber = loopNumber;
}
public void print(int waitFlag, int nextFlag, String str) {
for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
synchronized (this) {
while (this.flag != waitFlag) {
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.print(str);
flag = nextFlag;
this.notifyAll();
}
}
}
}
Lock 条件变量版
我们直接给出相关代码：
public class TestState {
AwaitSignal as = new AwaitSignal(5);
Condition aWaitSet = as.newCondition();
Condition bWaitSet = as.newCondition();
Condition cWaitSet = as.newCondition();
new Thread(() -> {
as.print("a", aWaitSet, bWaitSet);
}).start();
new Thread(() -> {
as.print("b", bWaitSet, cWaitSet);
}).start();
new Thread(() -> {
as.print("c", cWaitSet, aWaitSet);
}).start();
as.start(aWaitSet);
}
class AwaitSignal extends ReentrantLock {
public void start(Condition first) {
this.lock();
try {
log.debug("start");
first.signal();
} finally {
this.unlock();
}
}
public void print(String str, Condition current, Condition next) {
for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
this.lock();
try {
current.await();
log.debug(str);
next.signal();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
this.unlock();
}
}
}
// 循环次数
private int loopNumber;
public AwaitSignal(int loopNumber) {
this.loopNumber = loopNumber;
}
}
Park Unpark 版
我们直接给出相关代码：
public class TestState {
SyncPark syncPark = new SyncPark(5);
Thread t1 = new Thread(() -> {
syncPark.print("a");
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
syncPark.print("b");
});
Thread t3 = new Thread(() -> {
syncPark.print("c\n");
});
syncPark.setThreads(t1, t2, t3);
syncPark.start();
}
class SyncPark {
private int loopNumber;
private Thread[] threads;
public SyncPark(int loopNumber) {
this.loopNumber = loopNumber;
}
public void setThreads(Thread... threads) {
this.threads = threads;
}
public void print(String str) {
for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
LockSupport.park();
System.out.print(str);
LockSupport.unpark(nextThread());
}
}
private Thread nextThread() {
Thread current = Thread.currentThread();
int index = 0;
for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
if(threads[i] == current) {
index = i;
break;
}
}
if(index < threads.length - 1) {
return threads[index+1];
} else {
return threads[0];
}
}
public void start() {
for (Thread thread : threads) {
thread.start();
}
LockSupport.unpark(threads[0]);
}
}
本章小结
本章我们需要重点掌握的是
- 分析多线程访问共享资源时，哪些代码片段属于临界区
- 使用 synchronized 互斥解决临界区的线程安全问题
- 掌握 synchronized 锁对象语法
- 掌握 synchronzied 加载成员方法和静态方法语法
- 掌握 wait/notify 同步方法
- 使用 lock 互斥解决临界区的线程安全问题
- 掌握 lock 的使用细节：可打断、锁超时、公平锁、条件变量
- 学会分析变量的线程安全性、掌握常见线程安全类的使用
- 线程安全类的方法是原子性的，但方法之间的组合要具体分析。
- 了解线程活跃性问题：死锁、活锁、饥饿。
- 解决死锁、饥饿的方式：ReentranLock
- 应用方面
- 互斥：使用 synchronized 或 Lock 达到共享资源互斥效果
- 同步：使用 wait/notify 或 Lock 的条件变量来达到线程间通信效果
- 原理方面
- monitor、synchronized 、wait/notify 原理
- synchronized 进阶原理
- park & unpark 原理
- 模式方面
- 同步模式之保护性暂停
- 异步模式之生产者消费者
- 同步模式之顺序控制
结束语
到这里我们JUC的共享模型之管程就结束了，希望能为你带来帮助~
附录该文章属于学习内容，具体参考B站黑马程序员满老师的JUC完整教程
这里附上视频链接：04.001-本章内容_哔哩哔哩_bilibili