共享模型之管程(二)

ShiShuoMing
102 阅读22分钟

六、wait / notify

6.1 API 介绍

  • obj.wait() 释放锁，让进入 object 监视器的线程到 waitSet 等待 （该线程变为阻塞状态，停止执行）
  • 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

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
    }
}

notify 的一种结果（只唤醒一个）

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....

notifyAll 的结果

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....

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

七、wait notify 的正确姿势

7.1 sleep(long n) 和 wait(long n) 的区别

    1. sleep 是 Thread 方法，而 wait 是 Object 的方法
    1. sleep 不需要强制和 synchronized 配合使用，但 wait 需要和 synchronized 一起用
    1. 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
    1. 它们状态 TIMED_WAITING

7.2 while + wait 正确使用案例

step/例 1 : sleep会阻碍其它线程执行

思考下面的解决方案好不好，为什么？

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)？ 不能
    hasCigarette = true;
    log.debug("烟到了噢！");
}, "送烟的").start();

输出：

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
  • 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
  • 最后一个线程加了 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
  • sleep妨碍其它人干活 解决方法，使用 wait - notify

step/例 2 : wait替代sleep

思考下面的实现行吗，为什么？

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();

输出：

20:51:42.489 [小南] c.TestCorrectPosture - 有烟没？[false] 
20:51:42.493 [小南] c.TestCorrectPosture - 没烟，先歇会！
20:51:42.493 [其它人] c.TestCorrectPosture - 可以开始干活了
20:51:42.493 [其它人] c.TestCorrectPosture - 可以开始干活了
20:51:42.494 [其它人] c.TestCorrectPosture - 可以开始干活了
20:51:42.494 [其它人] c.TestCorrectPosture - 可以开始干活了
20:51:42.494 [其它人] c.TestCorrectPosture - 可以开始干活了
20:51:43.490 [送烟的] c.TestCorrectPosture - 烟到了噢！
20:51:43.490 [小南] c.TestCorrectPosture - 有烟没？[true] 
20:51:43.490 [小南] c.TestCorrectPosture - 可以开始干活了
  • 解决了其它干活的线程阻塞的问题
  • 但如果有其它线程也在等待条件呢？

step/例 3 : 会发生虚假唤醒

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();

输出：（此时叫醒的为小南，hasTakeout为true，小南的条件为hasCigarette）

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...
  • 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】
  • 发生虚假唤醒: 解决方法，改为 notifyAll
  • 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

step/例 4 : while+wait

while (!hasCigarette) {
    log.debug("没烟，先歇会！");
    try {
        room.wait();
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

输出：

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！

while + wait正确使用：

synchronized(lock) {
    while(条件不成立) {
        lock.wait();
    }
    // 干活
}

//另一个线程
synchronized(lock) {
    lock.notifyAll();
}

7.3 (同步)模式之保护性暂停

7.3.1 定义

即 Guarded Suspension，用在一个线程等待另一个线程的执行结果

要点

  • 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

image.png

7.3.2 实现

class GuardedObject {
    
    private Object response;
    private final Object lock = new Object();
    
    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; 
        }
    }
    
    public void complete(Object response) {
        synchronized (lock) {
            // 条件满足，通知等待线程
            this.response = response;
            lock.notifyAll();
        }
    }
    
}

调用：

一个线程等待另一个线程的执行结果


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());
}

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

7.3.3 带超时版 GuardedObject

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();
        }
    }
}

调用：

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");
    }
    
}

输出：

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

测试，超时

// 等待时间不足
List<String> lines = v2.get(1500);

输出

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...

7.3.4 原理之 join 源码

public final synchronized void join(long millis) { //等待时间
    throws InterruptedException {
        long base = System.currentTimeMillis();
        long now = 0;

        if (millis < 0) {
            throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
        }

        if (millis == 0) { //等待时间参数为0时。一直等待，直到线程结束
            while (isAlive()) {
                wait(0);
            }
        } else {
            while (isAlive()) {
                long delay = millis - now; //此轮需要等待的时间
                if (delay <= 0) {
                    break;
                }
                wait(delay);
                now = System.currentTimeMillis() - base; //已经等待的时间
            }
        }
    }

7.4 (异步)模式之生产者/消费者

7.4.1. 定义

要点

  • 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

image.png

7.4.2 实现

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();
        }
    }
}

调用

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();

某测运行结果

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

八、Park & Unpark

每个线程都有自己的一个(C代码实现的) Parker 对象。

8.1 基本使用

它们是 LockSupport 类中的方法

// 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)

先 park 再 unpark

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);

输出

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 再 park

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);

输出

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...

8.2 特点 与 Object 的 wait & notify 相比

  • 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(指定)】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

8.3 原理之 park & unpark

每个线程都有自己的一个(C代码实现的) Parker 对象，由三部分组成 _counter ，_cond(condition条件变量) 和 _mutex (互斥锁)

打个比喻

  • 线程就像一个旅人，Parker 就像他随身携带的背包，条件变量就好比背包中的帐篷。_counter 就好比背包中的备用干粮（0 为耗尽，1 为充足，初始为0）
  • 调用 park 就是要看需不需要停下来歇息
    • 如果备用干粮耗尽(_counter为0)，那么钻进帐篷歇息(等待补充干粮,否则容易半路饿死)
    • 如果备用干粮充足(_counter为1)，那么不需停留，继续前进(兜里有粮,心里不慌)
  • 调用 unpark，就好比令干粮充足(使 _counter为1)
    • 如果这时线程还在帐篷（休息中），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，仅是消耗备用干粮，不需停留,继续前进
      • 因为背包空间有限，多次调用 unpark 仅会补充一份备用干粮,也就是多次unpark后只会让紧跟着的一次park失效

九、重新理解线程状态转换

image.png

假设有线程 Thread t

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

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

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

十、多把锁&活跃性

10.1 多把锁

多把不相干的锁

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

例如

class BigRoom {
    
    public void sleep() {
        synchronized (this) {
            log.debug("sleeping 2 小时");
            Sleeper.sleep(2);
        }
    }
    
    public void study() {
        synchronized (this) {
            log.debug("study 1 小时");
            Sleeper.sleep(1);
        }
    }
    
    
}

调用

BigRoom bigRoom = new BigRoom();

new Thread(() -> {
    bigRoom.study();
},"小南").start();

new Thread(() -> {
    bigRoom.sleep();
},"小女").start();

结果

12:13:54.471 [小南] c.BigRoom - study 1 小时
12:13:55.476 [小女] c.BigRoom - sleeping 2 小时

解决方法是准备多个房间（多个对象锁） ,改进

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

将锁的粒度细分

  • 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

10.2 活跃性

10.2.1 死锁

有这样的情况：一个线程需要同时获取多把锁，这时就容易发生死锁

1.示例

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 例：

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

2.定位死锁

  • 检测死锁可以使用 jconsole工具，或者使用 jps 定位进程 id，再用 jstack 定位死锁：

image.png

image.png

image.png

  • 避免死锁要注意加锁顺序
  • 另外如果由于某个线程进入了死循环，导致其它线程一直等待，对于这种情况 linux 下可以通过 top 先定位到CPU 占用高的 Java 进程，再利用 top -Hp 进程id 来定位是哪个线程，最后再用 jstack 排查

3.哲学家就餐问题

image.png

有五位哲学家，围坐在圆桌旁。

  • 他们只做两件事，思考和吃饭，思考一会吃口饭，吃完饭后接着思考。
  • 吃饭时要用两根筷子吃，桌上共有 5 根筷子，每位哲学家左右手边各有一根筷子。
  • 如果筷子被身边的人拿着，自己就得等待

筷子类

class Chopstick {
    String name;
    
    public Chopstick(String name) {
        this.name = name;
    }
    
    @Override
    public String toString() {
        return "筷子{" + name + '}';
    }
}

哲学家类

class Philosopher extends Thread {
    Chopstick left;
    Chopstick right;
    
    public Philosopher(String name, Chopstick left, Chopstick right) {
        super(name);
        this.left = left;
        this.right = right;
    }
    
    private void eat() {
        log.debug("eating...");
        Sleeper.sleep(1);
    }
    
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            // 获得左手筷子
            synchronized (left) {
                // 获得右手筷子
                synchronized (right) {
                    // 吃饭
                    eat();
                }
                // 放下右手筷子
            }
            // 放下左手筷子
        }
    }
    
}

就餐

Chopstick c1 = new Chopstick("1");
Chopstick c2 = new Chopstick("2");
Chopstick c3 = new Chopstick("3");
Chopstick c4 = new Chopstick("4");
Chopstick c5 = new Chopstick("5");

new Philosopher("苏格拉底", c1, c2).start();
new Philosopher("柏拉图", c2, c3).start();
new Philosopher("亚里士多德", c3, c4).start();
new Philosopher("赫拉克利特", c4, c5).start();
new Philosopher("阿基米德", c5, c1).start();

结果：死锁，执行不多会，就执行不下去了

12:33:15.575 [苏格拉底] c.Philosopher - eating... 
12:33:15.575 [亚里士多德] c.Philosopher - eating... 
12:33:16.580 [阿基米德] c.Philosopher - eating... 
12:33:17.580 [阿基米德] c.Philosopher - eating... 
// 卡在这里, 不向下运行

这种线程没有按预期结束，执行不下去的情况，归类为【活跃性】问题，除了死锁以外，还有活锁和饥饿者两种情况

10.2.2 活锁(互改对方的结束条件导致都无法结束)

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，例如

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();
        
    }
}

10.2.3 饥饿 (始终得不到 CPU 调度执行)

很多教程中把饥饿定义为，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，在读写锁时会涉及饥饿问题

十一、ReentrantLock

相对于 synchronized 它具备如下特点

  • 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

基本语法

// 获取锁（没有竞争就会获取锁，有竞争就进入阻塞队列等待）
reentrantLock.lock();
try {
    // 临界区
} finally {
    // 释放锁
    reentrantLock.unlock();
}

11.1 可重入

  • 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

static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

public static void main(String[] args) {
    method1();
}

public static void method1() {
    lock.lock(); //如果获取锁失败，内部有等待队列，去等待
    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();
    }
}

输出

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

11.2 可打断 lock.lockInterruptibly()

lock.lockInterruptibly() 获取可打断锁的方法（没有竞争就会获取锁，有竞争就进入阻塞队列等待,但可以被打断

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

Thread t1 = new Thread(() -> {
    log.debug("启动...");
    
    try {
        //没有竞争就会获取锁
        //有竞争就进入阻塞队列等待,但可以被打断
        lock.lockInterruptibly();
        //lock.lock(); //不可打断
    } 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);
    log.debug("执行打断");
    t1.interrupt();
} finally {
    lock.unlock();
}

输出：

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

t1线程中，lock获取锁失败，锁在主线程中，所以t1会等待，之后主线程打断，t1线程报错

注意如果是不可中断模式，那么即使使用了 interrupt 也不会让等待中断

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

Thread t1 = new Thread(() -> {
    log.debug("启动...");
    
    lock.lock();
    try {
        log.debug("获得了锁");
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}, "t1");

lock.lock();
log.debug("获得了锁");
t1.start();

try {
    sleep(1);
    log.debug("执行打断");
    t1.interrupt();
    sleep(1);
} finally {
    log.debug("释放了锁");
    lock.unlock();
}

输出

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

11.3 锁(可设置)超时

尝试获取锁，立刻返回结果，未获取锁返回false，获取了返回true

lock.tryLock(值，单位)，等待时间结束后，再获取锁，空参时无超时时间，只尝试获取一次。

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();
}

输出

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

尝试一定时间 lock.tryLock

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();
}

输出

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

使用 tryLock 解决哲学家就餐问题

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
            if (left.tryLock()) {
                try {
                    // 尝试获得右手筷子
                    if (right.tryLock()) {
                        try {
                            eat();
                        } finally {
                            right.unlock();
                        }
                    }
                } finally {
                    left.unlock();
                }
            }
        }
    }
    
    private void eat() {
        log.debug("eating...");
        Sleeper.sleep(1);
    }
    
}

11.4 (可设置是否为)公平锁

公平: 先来就能先执行

不公平: 不保证先来就先执行

ReentrantLock 默认是不公平的

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(false);

lock.lock();
for (int i = 0; i < 500; i++) {
    new Thread(() -> {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " running...");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }, "t" + i).start();
}
// 1s 之后去争抢锁
Thread.sleep(1000);

new Thread(() -> {
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " start...");
    lock.lock();
    try {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " running...");
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}, "强行插入").start();

lock.unlock();

强行插入，有机会在中间输出 （此时500个t线程先在等待队列中等待）

注意：该实验不一定总能复现

输出

t39 running... 
t40 running... 
t41 running... 
t42 running... 
t43 running... 
强行插入 start... 
强行插入 running... 
t44 running... 
t45 running... 
t46 running... 
t47 running... 
t49 running...

改为公平锁后

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);

强行插入，总是在最后输出

t465 running... 
t464 running... 
t477 running... 
t442 running... 
t468 running... 
t493 running... 
t482 running... 
t485 running... 
t481 running... 
强行插入 running...

公平锁一般没有必要，会降低并发度，后面分析原理时会讲解

11.5 (多个)条件变量

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

ReentrantLock 的条件变量比 synchronized 强大之处在于，它是支持多个条件变量的，这就好比

  • 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

API解读：

  • Condition condition = lock.newCondition(); 创建一个新的条件变量（休息室）
  • condition.signal()唤醒condition中某一个等待的线程
  • condition.signAll()唤醒condition中全部等待的线程

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）去重新竞争 lock 锁
  • 竞争 lock 锁成功后，从 await 后继续执行
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);  //此时，两个线程都进入了休息室等待，同时锁也被释放
    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();
    }
}

输出

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
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