共享模型之管程Monitor
2024/4/6大约 57 分钟
共享模型之管程Monitor
共享问题
引入故事举例
- 老王(操作系统)有一个功能强大的算盘(CPU)，现在想把它租出去，赚一点外快
- 小南、小女(线程)来使用这个算盘来进行一些计算，并按照时间给老王支付费用
- 但小南不能一天24小时使用算盘，他经常要小憩一会(sleep)，又或是去吃饭上厕所(阻塞 io 操作)，有时还需要一根烟，没烟时思路全无(wait)这些情况统称为(阻塞)
- 在这些时候，算盘没利用起来(不能收钱了)，老王觉得有点不划算
- 另外，小女也想用用算盘，如果总是小南占着算盘，让小女觉得不公平
- 于是，老王灵机一动，想了个办法 [ 让他们每人用一会，轮流使用算盘 ]
- 这样，当小南阻塞的时候，算盘可以分给小女使用，不会浪费，反之亦然
- 最近执行的计算比较复杂，需要存储一些中间结果，而学生们的脑容量(工作内存)不够，所以老王申请了 一个笔记本(主存)，把一些中间结果先记在本上
- 计算流程是这样的：
- 但是由于分时系统，有一天还是发生了事故
- 小南刚读取了初始值 0 做了个 +1 运算，还没来得及写回结果
- 老王说 [ 小南，你的时间到了，该别人了，记住结果走吧 ]，于是小南念叨着 [ 结果是1，结果是1...] 不甘心地 到一边待着去了(上下文切换)
- 老王说 [ 小女，该你了 ]，小女看到了笔记本上还写着 0 做了一个 -1 运算，将结果 -1 写入笔记本
- 这时小女的时间也用完了，老王又叫醒了小南：[小南，把你上次的题目算完吧]，小南将他脑海中的结果 1 写 入了笔记本
- 小南和小女都觉得自己没做错，但笔记本里的结果是 1 而不是 0
Java中的体现
两个线程对初始值为 0 的静态变量一个做自增，一个做自减，各做 5000 次，结果是 0 吗?
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);
}分析：以上的结果可能是正数、负数、零。为什么呢?因为 Java 中对静态变量的自增，自减并不是原子操作，要彻底理解，必须从字节码来进行分析
例如对于 i++ 而言(i 为静态变量)，实际会产生如下的 JVM 字节码指令:
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而对应 i-- 也是类似:
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而 Java 的内存模型如下，完成静态变量的自增，自减需要在主存和工作内存中进行数据交换:
如果是单线程以上 8 行代码是顺序执行(不会交错)没有问题:
sequenceDiagram
participant 线程1
participant static i
static i->>线程1:getstatic i 读取 0
线程1->>线程1:iconst_1 准备常数 1
线程1->>线程1:iadd加法，线程内 i = 1
线程1->>static i:putstatic i 写入 1
static i->>线程1:getstatic i 读取 1
线程1->>线程1:iconst_1 准备常数 1
线程1->>线程1:isub减法，线程内 i = 0
线程1->>static i:putstatic i 写入 0但多线程下这 8 行代码可能交错运行:
- 出现负数的情况：
sequenceDiagram
participant 线程1
participant 线程2
participant static i
static i->>线程2:getstatic i 读取 0
线程2->>线程2:iconst_1 准备常数 1
线程2->>线程2:isub减法，线程内 i = -1
线程2-->>线程1:上下文切换
static i->>线程1:getstatic i 读取 0
线程1->>线程1:iconst_1 准备常数 1
线程1->>线程1:iadd加法，线程内 i = 1
线程1->>static i:putstatic i 写入 1
线程1-->>线程2:上下文切换
线程2->>static i:putstatic i 写入 -1- 出现正数的情况：
sequenceDiagram
participant 线程1
participant 线程2
participant static i
static i->>线程1:getstatic i 读取 0
线程1->>线程1:iconst_1 准备常数 1
线程1->>线程1:iadd加法，线程内 i = 1
线程1-->>线程2:上下文切换
static i->>线程2:getstatic i 读取 0
线程2->>线程2:iconst_1 准备常数 1
线程2->>线程2:isub减法，线程内 i = -1
线程2->>static i:putstatic i 写入 -1
线程2-->>线程1:上下文切换
线程1->>static i:putstatic i 写入 1临界区 Critical Section
- 一个程序运行多个线程本身是没有问题的
- 问题出在多个线程访问共享资源
- 多个线程读共享资源其实也没有问题
- 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
- 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，下面代码中的临界区
static int counter = 0;
static void increment()
// 临界区
{
counter++;
}
static void decrement()
// 临界区
{
counter--;
}竞态条件 Race Condition
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
synchronized 解决方案
synchronized应用之互斥
为了避免临界区的竞态条件发生，有多种手段可以达到目的。
- 阻塞式的解决方案：synchronized，Lock
- 非阻塞式的解决方案：原子变量
这里使用阻塞式的解决方案：synchronized来解决上述问题，即俗称的 对象锁，它采用互斥的方式让同一时刻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。
注意：虽然 java 中互斥和同步都可以采用 synchronized 关键字来完成，但它们还是有区别的
- 互斥是保证临界区的竞态条件发生，同一时刻只能有一个线程执行临界区代码
- 同步是由于线程执行的先后、顺序不同、需要一个线程等待其它线程运行到某个点
synchronized实现互斥用法
synchronized(对象) // 线程1， 线程2(blocked)
{
//临界区
}实例
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);
}我们可以这样类比：
synchronized(对象)中的对象，可以想象为一个房间(room)，有唯一入口(门)房间只能一次进入一人 进行计算，线程 t1，t2 想象成两个人- 当线程 t1 执行到
synchronized(room)时就好比 t1 进入了这个房间，并锁住了门拿走了钥匙，在门内执行count++ 代码 - 这时候如果 t2 也运行到了 synchronized(room) 时，它发现门被锁住了，只能在门外等待，发生了上下文切换，阻塞住了
- 这中间即使 t1 的 cpu 时间片不幸用完，被踢出了门外(不要错误理解为锁住了对象就能一直执行下去哦)， 这时门还是锁住的，t1 仍拿着钥匙，t2 线程还在阻塞状态进不来，只有下次轮到 t1 自己再次获得时间片时才能开门进入
- 当 t1 执行完
synchronized{}块内的代码，这时候才会从 obj 房间出来并解开门上的锁，唤醒 t2 线程把钥匙给他。t2 线程这时才可以进入 obj 房间，锁住了门拿上钥匙，执行它的count--代码
时序图理解如下：
sequenceDiagram
participant t1 as 线程1
participant t2 as 线程2
participant i as static i
participant l as 锁对象
t2 ->> l:尝试获取锁
Note over t2,l:拥有锁
i ->> t2:getstatic i 读取 0
t2 ->> t2:iconst_1 准备常数 1
t2 ->> t2:isub减法，线程内 i = -1
t2 -->> t1:上下文切换
t1 -x l:尝试获取锁，被阻塞(BLOCKED)
t1 -->> t2:上下文切换
t2 ->> i:putstatic i 写入 -1
Note over t2,l:拥有锁
t2 ->> l:释放锁，并唤醒阻塞的线程
Note over t1,l:拥有锁
i ->> t1:getstatic i 读取 -1
t1 ->> t1:iconst_1 准备常数 1
t1 ->> t1:iadd加法，线程内 i = 1
t1 ->> i:putstatic i 写入 0
Note over t1,l:拥有锁
t1 ->> l:释放锁，并唤醒阻塞的线程思考
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。
为了加深理解，请思考下面的问题：
- 如果把
synchronized(obj)放在 for 循环的外面，如何理解? -- 强调原子性 - 如果 t1
synchronized(obj1)而 t2synchronized(obj2)会怎样运作? -- 强调锁对象 - 如果 t1
synchronized(obj)而 t2 没有加会怎么样?如何理解? -- 强调锁对象
面向对象改进
把需要保护的共享变量放入一个类
class Room {
int value = 0;
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 { 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());
}
}方法上的synchronized
class Test{
public synchronized void test() {
}
}
//等价于
class Test{
public void test() {
synchronized(this) {}
}
}class Test{
public synchronized static void test() {
}
}
//等价于
class Test{
public static void test() {
synchronized(Test.class) {}
}
}练习题之线程八锁
其实就是考察 synchronized 锁住的是哪个对象
情况1：12 或 21，有互斥效果
@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();
}情况2：一秒后1 2，或 2 一秒后 1，有互斥效果
@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();
}情况3：3 一秒后 1 2 或 2 3 一秒后 1 或 3 2 一秒后 1，a和b有互斥效果，c和ab无互斥
@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();
}情况4：2 一秒后 1，无互斥效果
@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();
}情况5：2 一秒后 1，无互斥效果
@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();
}情况6：一秒后1 2， 或 2 一秒后 1，有互斥效果
@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();
}情况7：2 一秒后 1，无互斥效果
@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();
}情况8：一秒后1 2， 或 2 一秒后 1，无互斥效果
@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();
}变量的线程安全分析
成员变量和静态变量是否线程安全?
- 如果它们没有共享，则线程安全
- 如果它们被共享了，根据它们的状态是否能够改变，又分两种情况
- 如果只有读操作，则线程安全
- 如果有读写操作，则这段代码是临界区，需要考虑线程安全
局部变量是否线程安全?
- 局部变量是线程安全的
- 但局部变量引用的对象则未必
- 如果该对象没有逃离方法的作用访问，它是线程安全的
- 如果该对象逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全
局部变量线程安全分析
public static void test1() {
int i = 10;
i++;
}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如图:
但是局部变量的引用稍有不同，先看一个成员变量的例子：
class ThreadUnsafe {
ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
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);
}
}执行:
static final int THREAD_NUMBER = 2;
static final int LOOP_NUMBER = 200;
public static void main(String[] args) {
ThreadUnsafe test = new ThreadUnsafe();
for (int i = 0; i < THREAD_NUMBER; i++) {
new Thread(() -> {
test.method1(LOOP_NUMBER);
}, "Thread" + i).start();
}
}其中一种情况是，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)分析:
- 无论哪个线程中的 method2 引用的都是同一个对象中的 list 成员变量
- method3 与 method2 分析相同
将 list 修改为局部变量，那么就不会有上述问题了
class ThreadSafe {
public final void method1(int loopNumber) {
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);
}
}分析:
- list 是局部变量，每个线程调用时会创建其不同实例，没有共享
- 而 method2 的参数是从 method1 中传递过来的，与 method1 中引用同一个对象
- method3 的参数分析与 method2 相同
- 情况1：有其它线程调用 method2 和 method3，也不会有线程安全问题
- 情况2：在 情况1 的基础上，为 ThreadSafe 类添加子类，子类覆盖 method2 或 method3 方法，存在线程安全问题！即
class ThreadSafe {
public final void method1(int loopNumber) {
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);
}
}
class ThreadSafeSubClass extends ThreadSafe{
@Override
public void method3(ArrayList<String> list) {
new Thread(() -> {
list.remove(0);
}).start();
}
}从这个例子可以看出 private 或 final 提供
安全的意义所在，请体会开闭原则中的闭
常用线程安全类
- String
- Integer
- StringBuffer
- Random
- Vector
- Hashtable java.util.concurrent 包下的类
这里说它们是线程安全的是指，多个线程调用它们同一个实例的某个方法时，是线程安全的。也可以理解为
Hashtable table = new Hashtable();
new Thread(()->{
table.put("key", "value1");
}).start();
new Thread(()->{
table.put("key", "value2");
}).start();它们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，见后面分析
线程安全类方法的组合
分析下面的代码是否线程安全？
Hashtable table = new Hashtable();
// 线程1，线程2
if( table.get("key") == null) {
table.put("key", value);
}sequenceDiagram
participant t1 as 线程1
participant t2 as 线程2
participant a2 as table
t1 ->> a2:get("key") == null
t2 ->> a2:get("key") == null
t2 ->> a2:put("key",v2)
t1 ->> a2:put("key",v1)不可变类线程安全性
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
你也许有疑问，String 有 replace，substring 等方法【可以】改变值啊，那么这些方法又是如何保证线程安全的呢? ==> String的”改变值“其实是创建了新的对象，并未修改原有对象。原理如下：
public class Immutable{
private int value = 0;
public Immutable(int value){
this.value = value;
}
public int getValue(){
return this.value;
}
public Immutable add(int v){
return new Immutable(this.value + v);
}
}实例分析
例一
/**
* servlet运行在tomcat中，默认只有一个实例，会被tomcat的多个线程共享使用
*/
public class MyServlet extends HttpServlet {
// 是否安全? 否
Map<String,Object> map = new HashMap<>();
// 是否安全? 是
String S1 = "...";
// 是否安全? 是
final String S2 = "...";
// 是否安全? 否
Date D1 = new Date();
// 是否安全? 否，final只是指D2的引用值固定了不能变，但这个引用值内部属性是可变的
final Date D2 = new Date();
public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
// 使用上述变量
}
}例二
/**
* 因为servlet是单实例的，所以userService也只有一份被多个线程共享使用
*/
public class MyServlet extends HttpServlet {
// 是否安全? 否
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++;
}
}例三
/**
* spring中的bean如果没有额外声明则都是单例的，即MyAspect对象是单例的
*/
@Aspect
@Component
public class MyAspect {
// 是否安全? 否
// 如何解决？=>
// - 可以把该对象做成多例来解决吗？否，因为进入前置通知和后置通知可能不属于 // 一个对象，时间统计就不一致了
// - 可以使用环绕通知，将成员变量都改为局部变量
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));
}
}例四
/**
* servlet默认单实例
*/
public class MyServlet extends HttpServlet {
// 是否安全? 是，因为引用的对象的成员变量是私有的不可变
private UserService userService = new UserServiceImpl();
public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
userService.update(...);
}
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
// 是否安全？是，因为引用的对象中无成员变量
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Connection是局部变量
try (Connection conn = DriverManager.getConnection("","","")){
// ...
} catch (Exception e) {
// ...
}
}
}例五
/**
* servlet默认单实例
*/
public class MyServlet extends HttpServlet {
// 是否安全？否
private UserService userService = new UserServiceImpl();
public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
userService.update(...);
}
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
// 是否安全？否
private UserDao userDao = new UserDaoImpl();
public void update() {
userDao.update();
}
}
public class UserDaoImpl implements UserDao {
// 是否安全？否
private Connection conn = null;
public void update() throws SQLException {
String sql = "update user set password = ? where username = ?";
conn = DriverManager.getConnection("","","");
// ...
conn.close();
}
}例六
public class MyServlet extends HttpServlet {
// 是否安全？是
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? 是，前提是一个userDao对象只被一个serServiceImpl对象使用
private Connection = null;
public void update() throws SQLException {
String sql = "update user set password = ? where username = ?";
conn = DriverManager.getConnection("","","");
// ...
conn.close();
}
}例七
public abstract class Test {
public void bar() {
// 是否安全? 否，子类可能是实现foo修改sdf对象
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();
}
}其中 foo 的行为是不确定的，可能导致不安全的发生，被称之为 外星方法
public void foo(SimpleDateFormat sdf) {
String dateStr = "1999-10-11 00:00:00";
for (int i = 0; i < 20; i++) {
new Thread(() -> {
try {
sdf.parse(dateStr);
} catch (ParseException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
}
}请比较 JDK 中 String 类的实现
==> 会发现String类被设计为final的，就是为例避免其子类覆盖掉父类中的行为，导致不安全
练习题
卖票
测试下面代码是否存在线程安全问题，并尝试改正
public class ExerciseSell {
private static Logger log = LoggerFactory.getLogger(ExerciseSell.class);
/**
* 模拟多人买票
*/
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<>();
// 启动线程（卖出的票统计）
for (int i = 0; i < 2000; i++) {
Thread t = new Thread(() -> {
try {
Thread.sleep(randomAmount());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 分析这里的竞态条件
int count = ticketWindow.sell(randomAmount());
sellCount.add(count);
});
list.add(t);
t.start();
}
// 等待买票结束
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 是线程安全的
static Random random = new Random();
// 随机 1~5
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;
}
public int sell(int amount) {
if (this.count >= amount) {
this.count -= amount;
return amount;
} else {
return 0;
}
}
}解决：给售票方法加锁
public synchronized int sell(int amount) {
if (this.count >= amount) {
this.count -= amount;
return amount;
} else {
return 0;
}
}另外，用下面的代码行不行？ => 不行，ArrayList是非线程安全的！
List<Integer> sellCount = new ArrayList<>();转账
测试下面代码是否存在线程安全问题，并尝试改正
public class ExerciseTransfer {
private static Logger log = LoggerFactory.getLogger(ExerciseTransfer.class);
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);
}
}
}解决：给转账方法加锁
注意：不能直接使用对象锁，对象锁只对this有效
public void transfer(Account target, int amount) {
synchronized (Account.class) {
if (this.money > amount) {
this.setMoney(this.getMoney() - amount);
target.setMoney(target.getMoney() + amount);
}
}
}这样改行不行? => 不行，非静态方法的synchronized锁是this
public synchronized void transfer(Account target, int amount) {
if (this.money > amount) {
this.setMoney(this.getMoney() - amount);
target.setMoney(target.getMoney() + amount);
}
}Monitor
Java对象头
理解
Java对象在内存中由两部分组成，对象头、对象中的成员变量
对象头在32位虚拟机中是64位即8个byte，分别为4个byte的Mark work和4个byte的Klass Word
Klass Word是一个指针，指向了这个对象所对应的class类对象，用以确定该对象的类型
图示
以32位虚拟机为例：
- 普通对象
| Object Header (64 bits) | |
| Mark work (32 bits) | Klass Word (32 bits) |
- 数组对象
| Object Header (96 bits) | ||
| Mark work (32 bits) | Klass Word (32 bits) | array length（32 bits） |
数组对象的对象头中还有4byte的数组长度
- 其中Mark Word结构为
| Mark Word（32 bits） | State | ||||
| hashcode:25 | age:4 | biased_lock:1 | 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 | Markedd for GC | ||||
释意：
Normal状态下：
- hashcode：每个对象都有自己的hash码
- age：垃圾回收时的分代年龄
- biased_local：是否是偏向锁
- thread：操作系统层面的线程id
- epoch：偏向时间戳（偏向计数器），每个类维护一个偏向锁计数器，对其对象进行偏向锁的撤销操作进行计数。当这个值达到指定阈值的时候，jvm就认为这个类的偏向锁有问题，需要进行重偏向（rebias）
- 01、00、10、11：加锁状态
其他状态下Mark Word都有不同的占位值
- ptr_to_local_record、ptr_to_heavyweight_monitor：锁记录地址
64位虚拟机的Mark Word结构：
| 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 | Markedd for GC | |||||
参考资料：https://stackoverflow.com/questions/26357186/what-is-in-java-object-header
原理之Monitor(锁)
Monitor：管程，也常被翻译为“监视器”，monitor 不管是翻译为“管程”还是“监视器”，都是比较晦涩的，通过翻译后的中文，并无法对 monitor 达到一个直观的描述。在《操作系统同步原语》 这篇文章中，介绍了操作系统在面对 进程/线程 间同步的时候，所支持的一些同步原语，其中 semaphore 信号量 和 mutex 互斥量是最重要的同步原语。
在使用基本的 mutex 进行并发控制时，需要程序员非常小心地控制 mutex 的 down 和 up 操作，否则很容易引起死锁等问题。为了更容易地编写出正确的并发程序，所以在 mutex 和 semaphore 的基础上，提出了更高层次的同步原语 monitor。
不过需要注意的是，操作系统本身并不支持 monitor 机制，实际上monitor 是属于编程语言的范畴，当你想要使用 monitor 时，先了解一下语言本身是否支持 monitor 原语，例如 C 语言它就不支持 monitor，Java 语言支持 monitor。
一般的 monitor 实现模式是编程语言在语法上提供语法糖，而如何实现 monitor 机制，则属于编译器的工作，Java 就是这么干的。
monitor 的重要特点是，同一个时刻，只有一个 进程/线程 能进入 monitor 中定义的临界区，这使得 monitor 能够达到互斥的效果。但仅仅有互斥的作用是不够的，无法进入 monitor 临界区的 进程/线程，它们应该被阻塞，并且在必要的时候会被唤醒。显然，monitor 作为一个同步工具，也应该提供这样的管理 进程/线程 状态的机制。想想我们为什么觉得 semaphore 和 mutex 在编程上容易出错，因为我们需要去亲自操作变量以及对 进程/线程 进行阻塞和唤醒。monitor 这个机制之所以被称为“更高级的原语”，那么它就不可避免地需要对外屏蔽掉这些机制，并且在内部实现这些机制，使得使用 monitor 的人看到的是一个简洁易用的接口。更多monitor相关内容请自行查阅！
每个 Java 对象都可以关联一个 Monitor 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
Monitor 结构如下
- 刚开始 Monitor 中 Owner 为 null
- 当 Thread-2 执行 synchronized(obj) 就会将 Monitor 的所有者 Owner 置为 Thread-2，Monitor中只能有一 个 Owner
- 在 Thread-2 上锁的过程中，如果 Thread-3，Thread-4，Thread-5 也来执行 synchronized(obj)，就会进入 EntryList BLOCKED
- Thread-2 执行完同步代码块的内容，然后唤醒 EntryList 中等待的线程来竞争锁，竞争是非公平的
- 图中 WaitSet 中的 Thread-0，Thread-1 是之前获得过锁，但条件不满足进入 WAITING 状态的线程，后面讲 wait-notify 时会分析
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原理(Java字节码层面理解monitor)
static final Object lock = new Object();
static int counter = 0;
public static void main(String[] args) {
synchronized (lock) {
counter++;
}
}对应的字节码为：
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
0: getstatic #2 // <- lock引用 (synchronized开始)
3: dup // 复制
4: astore_1 // lock引用 -> slot 1，存储lock引用
5: monitorenter // 将 lock对象 MarkWord 置为 Monitor 指针
6: getstatic #3 // <- 1
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
16: goto 24
19: astore_2 // e -> slot 2
20: aload_1 // <- local引用
21: monitorexit // 将lock对象MarkWord重置，唤醒 EntryList
22: aload_2 // <- slot 2 (e)
23: athrow // throw e
24: return
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注意：方法级别的 synchronized 不会在字节码指令中有所体现
锁消除
@Fork(1)
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@Warmup(iterations=3)
@Measurement(iterations=5)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
public class MyBenchmark {
static int x = 0;
@Benchmark
public void a() throws Exception {
x++;
}
/*
* JIT即时编译器编译方法b时，会发现对象o不会逃离方法b的作用范围，所以不会出现线程安全问题。
* 所以方法b会被优化为不加锁即 ==> 锁消除
*/
@Benchmark
public void b() throws Exception {
Object o = new Object();
synchronized (o) {
x++;
}
}
}执行 java -jar benchmarks.jar
Benchmark Mode Samples Score Score error Units
c.i.MyBenchmark.a avgt 5 1.542 0.056 ns/op
c.i.MyBenchmark.b avgt 5 1.518 0.091 ns/op锁消除也是可以关闭的：通过VM参数 -XX:-EliminateLocks
执行 java -XX:-EliminateLocks -jar benchmarks.jar
Benchmark Mode Samples Score Score error Units
c.i.MyBenchmark.a avgt 5 1.507 0.108 ns/op
c.i.MyBenchmark.b avgt 5 16.976 1.572 ns/op锁粗化
对相同对象多次加锁，导致线程发生多次重入，可以使用锁粗化方式来优化，这不同于之前讲的细分锁的粒度。
例子：
- 当一个方法重复调用synchorized锁，比如在for循环中。
- 这时就可以优化为在synchorized锁中执行for循环实现锁的粗化。
wait、notify
引入
- 由于条件不满足，小南不能继续进行计算
- 但小南如果一直占用着锁，其它人就得一直阻塞，效率太低
- 于是老王单开了一间休息室(调用 wait 方法)，让小南到休息室(WaitSet)等去了，但这时锁释放开， 其它人可以由老王随机安排进屋
- 直到小M将烟送来，大叫一声 [ 你的烟到了 ] (调用 notify 方法)
- 小南于是可以离开休息室，重新进入竞争锁的队列
原理
- 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
- 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
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
public class Test {
private static Logger log = LoggerFactory.getLogger(Test.class);
final static Object obj = new Object();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
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
Thread.sleep(2);
log.debug("唤醒 obj 上其它线程");
synchronized (obj) {
// 唤醒obj上一个线程
obj.notify();
// 唤醒obj上所有等待线程
// obj.notifyAll();
}
}
}notify 的一种结果
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
wait、notify的正确使用方式
开始之前先看看sleep(long n) 和wait(long n)的区别：
- 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
- 它们的状态都是 TIMED_WAITING
step 1
static final Object room = new Object();
static boolean hasCigarette = false;
static boolean hasTakeout = false;思考下面的解决方案好不好，为什么？
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();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
- 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。
- 解决方法，使用 wait - notify 机制
step 2
思考下面的解决方案行吗？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 3
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
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】
- 解决方法，改为 notifyAll
step 4
....
new Thread(() -> {
synchronized (room) {
hasTakeout = true;
log.debug("外卖到了噢!");
room.notifyAll();
}
}, "送外卖的").start();输出
20:55:23.978 [小南] c.TestCorrectPosture - 有烟没?[false]
20:55:23.982 [小南] c.TestCorrectPosture - 没烟，先歇会!
20:55:23.982 [小女] c.TestCorrectPosture - 外卖送到没?[false]
20:55:23.982 [小女] c.TestCorrectPosture - 没外卖，先歇会!
20:55:24.979 [送外卖的] c.TestCorrectPosture - 外卖到了噢!
20:55:24.979 [小女] c.TestCorrectPosture - 外卖送到没?[true]
20:55:24.980 [小女] c.TestCorrectPosture - 可以开始干活了
20:55:24.980 [小南] c.TestCorrectPosture - 有烟没?[false]
20:55:24.980 [小南] c.TestCorrectPosture - 没干成活...- 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
step 5
将 if 改为 while
if (!hasCigarette) {
log.debug("没烟，先歇会!");
try {
room.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace(); }
}改动后
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!总结
synchronized(lock) {
while(条件不成立) {
lock.wait();
}
// 干活
}
//另一个线程
synchronized(lock) {
lock.notifyAll();
}同步模式之保护性暂停
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
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();
}
}
}应用
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());
}执行结果
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带超时的GuardedObject
如果要控制超时时间呢
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); //存在虚假唤醒的可能
} 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();
}
}
}测试，没有超时
public static void main(String[] args) {
GuardedObjectV2 v2 = new GuardedObjectV2();
new Thread(() -> {
sleep(1);
v2.complete(null); //虚假唤醒
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...总结
保护性暂停模式和join方法都可以实现一个线程等待另一个线程的执行结果
保护性暂停模式相对于join方法的好处是
- 一个线程执行完某件事并得到结果通知另一个在等待结果的线程后，还可以做一些其他事情
- 使用join方法后，等待结果的那个变量只能设置为全局的
保护性暂停是一个线程等待另一个线程的结果，join是一个线程等待另一个线程的结束
多任务版 GuardedObject
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 就好比邮递员
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
新增 id 用来标识 Guarded Object
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();
}
}
}中间解耦类
class Mailboxes {
private static Map<Integer, GuardedObject> boxes = new Hashtable<>();
private static int id = 1;
// 产生唯一 id
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();
}
}业务相关类
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);
}
}测试
public static void main(String[] args) throws Exception {
for (int i = 0; i < 3; i++) {
new People().start();
}
Thread.sleep(1);
for (Integer id : Mailboxes.getIds()) {
new Postman(id, "内容" + id).start();
}
}运行某次结果
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异步模式之生产者/消费者
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
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;
}
}
/**
* 这里的消息队列是对于线程间通信的，而像RabbitMQ这种是属于进程间通信的
*/
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();
}
}
}应用
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();某次运行结果
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原理之join
是调用者轮询检查线程 alive 状态
t1.join();等价于
synchronized (t1) {
// 调用者线程进入 t1 的 waitSet 等待, 直到 t1 运行结束
while (t1.isAlive()) {
t1.wait(0);
}
}注意：join 体现的是【保护性暂停】模式
Park、Unpark
基本使用
它们是 LockSupport 类中的方法
// 暂停当前线程 ，这里park后对应的线程状态为 WAITING
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...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】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
原理
每个线程都有自己的一个 Parker 对象，由三部分组成 _counter ， _cond 和 _mutex 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)
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
- 如果这时线程还在帐篷，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。因为背包空间有限，多次调用 unpark 仅会补充一份备用干粮
- 当前线程调用 Unsafe.park() 方法
- 检查 _counter ，本情况为 0，这时，获得 _mutex 互斥锁
- 线程进入 _cond 条件变量阻塞
- 设置 _counter = 0
- 调用 Unsafe.unpark(Thread_0) 方法，设置 _counter 为 1
- 唤醒 _cond 条件变量中的 Thread_0
- Thread_0 恢复运行
- 设置 _counter 为 0
- 调用 Unsafe.unpark(Thread_0) 方法，设置 _counter 为 1
- 当前线程调用 Unsafe.park() 方法
- 检查 _counter ，本情况为 1，这时线程无需阻塞，继续运行
- 设置 _counter 为 0
线程状态转换
假设有线程 Thread t
NEW => RUNNABLE
当调用 t.start() 方法时，由 NEW --> RUNNABLE
RUNNABLE <=> WAITING
情况一
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
public class TestWaitNotify {
final static Object obj = new Object();
public static void main(String[] args) {
new Thread(() -> {
synchronized (obj) {
log.debug("执行....");
try {
obj.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
log.debug("其它代码...."); // 断点
}
},"t1").start();
new Thread(() -> {
synchronized (obj) {
log.debug("执行....");
try {
obj.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
log.debug("其它代码...."); // 断点
}
},"t2").start();
sleep(0.5);
log.debug("唤醒 obj 上其它线程");
synchronized (obj) {
obj.notifyAll(); // 唤醒obj上所有等待线程 断点
}
}
}情况二
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monitor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
情况三
- 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
RUNNABLE <=> TIMED_WAITING
情况一
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
情况二
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monitor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
情况三
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
情况四
- 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
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
RUNNABLE <=> TERMINATED
当前线程所有代码运行完毕，进入 TERMINATED
多把锁的使用
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
- 解决方法是准备多个房间(多个对象锁)
例如
class BigRoom {
public void sleep() {
synchronized (this) {
log.debug("sleeping 2 小时");
Thread.sleep(2);
}
}
public void study() {
synchronized (this) {
log.debug("study 1 小时");
Thread.sleep(1);
}
}
}
// 执行
BigRoom bigRoom = new BigRoom();
new Thread(() -> {
bigRoom.compute();
},"小南").start();
new Thread(() -> {
bigRoom.sleep();
},"小女").start();某次结果：
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");
Thread.sleep(2);
}
}
public void study() {
synchronized (studyRoom) {
log.debug("study 1 小时");
Thread.sleep(1);
}
}
}某次结果
12:15:35.069 [小南] c.BigRoom - study 1 小时
12:15:35.069 [小女] c.BigRoom - sleeping 2 小时总结
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
活跃性
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
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();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：
cmd > jps
Picked up JAVA_TOOL_OPTIONS: -Dfile.encoding=UTF-8 12320 Jps
22816 KotlinCompileDaemon
33200 TestDeadLock # JVM 进程
11508 Main
28468 Launchercmd > jstack 33200
Picked up JAVA_TOOL_OPTIONS: -Dfile.encoding=UTF-8
2018-12-29 05:51:40
Full thread dump Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (25.91-b14 mixed mode):
"DestroyJavaVM" #13 prio=5 os_prio=0 tid=0x0000000003525000 nid=0x2f60 waiting on condition [0x0000000000000000]
java.lang.Thread.State: RUNNABLE
"Thread-1" #12 prio=5 os_prio=0 tid=0x000000001eb69000 nid=0xd40 waiting for monitor entry [0x000000001f54f000]
java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
at thread.TestDeadLock.lambda$main$1(TestDeadLock.java:28)
- waiting to lock <0x000000076b5bf1c0> (a java.lang.Object)
- locked <0x000000076b5bf1d0> (a java.lang.Object)
at thread.TestDeadLock$$Lambda$2/883049899.run(Unknown Source)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
"Thread-0" #11 prio=5 os_prio=0 tid=0x000000001eb68800 nid=0x1b28 waiting for monitor entry [0x000000001f44f000]
java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
at thread.TestDeadLock.lambda$main$0(TestDeadLock.java:15)
- waiting to lock <0x000000076b5bf1d0> (a java.lang.Object)
- locked <0x000000076b5bf1c0> (a java.lang.Object)
at thread.TestDeadLock$$Lambda$1/495053715.run(Unknown Source)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
# 略去部分输出
Found one Java-level deadlock:
=============================
"Thread-1":
waiting to lock monitor 0x000000000361d378 (object 0x000000076b5bf1c0, a java.lang.Object), which is held by "Thread-0"
"Thread-0":
waiting to lock monitor 0x000000000361e768 (object 0x000000076b5bf1d0, a java.lang.Object), which is held by "Thread-1"
Java stack information for the threads listed above: ===================================================
"Thread-1":
at thread.TestDeadLock.lambda$main$1(TestDeadLock.java:28)
- waiting to lock <0x000000076b5bf1c0> (a java.lang.Object)
- locked <0x000000076b5bf1d0> (a java.lang.Object)
at thread.TestDeadLock$$Lambda$2/883049899.run(Unknown Source)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
"Thread-0":
at thread.TestDeadLock.lambda$main$0(TestDeadLock.java:15)
- waiting to lock <0x000000076b5bf1d0> (a java.lang.Object)
- locked <0x000000076b5bf1c0> (a java.lang.Object)
at thread.TestDeadLock$$Lambda$1/495053715.run(Unknown Source)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
Found 1 deadlock.- 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
哲学家就餐问题
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...");
Thread.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();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, 不向下运行使用 jconsole 检测死锁，发现
-------------------------------------------------------------------------
名称: 阿基米德
状态: cn.itcast.Chopstick@1540e19d (筷子1) 上的BLOCKED, 拥有者: 苏格拉底
总阻止数: 2, 总等待数: 1
堆栈跟踪: cn.itcast.Philosopher.run(TestDinner.java:48)
- 已锁定 cn.itcast.Chopstick@6d6f6e28 (筷子5)
-------------------------------------------------------------------------
名称: 苏格拉底
状态: cn.itcast.Chopstick@677327b6 (筷子2) 上的BLOCKED, 拥有者: 柏拉图
总阻止数: 2, 总等待数: 1
堆栈跟踪: cn.itcast.Philosopher.run(TestDinner.java:48)
- 已锁定 cn.itcast.Chopstick@1540e19d (筷子1)
-------------------------------------------------------------------------
名称: 柏拉图
状态: cn.itcast.Chopstick@14ae5a5 (筷子3) 上的BLOCKED, 拥有者: 亚里士多德
总阻止数: 2, 总等待数: 0
堆栈跟踪: cn.itcast.Philosopher.run(TestDinner.java:48)
- 已锁定 cn.itcast.Chopstick@677327b6 (筷子2)
-------------------------------------------------------------------------
名称: 亚里士多德
状态: cn.itcast.Chopstick@7f31245a (筷子4) 上的BLOCKED, 拥有者: 赫拉克利特
总阻止数: 1, 总等待数: 1
堆栈跟踪: cn.itcast.Philosopher.run(TestDinner.java:48)
- 已锁定 cn.itcast.Chopstick@14ae5a5 (筷子3)
-------------------------------------------------------------------------
名称: 赫拉克利特
状态: cn.itcast.Chopstick@6d6f6e28 (筷子5) 上的BLOCKED, 拥有者: 阿基米德
总阻止数: 2, 总等待数: 0
堆栈跟踪: cn.itcast.Philosopher.run(TestDinner.java:48)
- 已锁定 cn.itcast.Chopstick@7f31245a (筷子4)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
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，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();
}
}饥饿
很多人把饥饿定义为，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，后面读写锁时会涉及饥饿问题
下面一个线程饥饿的例子，先来看看使用顺序加锁的方式解决之前的死锁问题
sequenceDiagram
participant t1 as 线程1
participant t2 as 线程2
participant o1 as 对象A
participant o2 as 对象B
t1 -->> o1:尝试获取锁
Note over t1,o1: 拥有锁
t2 -->> o2:尝试获取锁
Note over t2,o2: 拥有锁
t1 --x o2:尝试获取锁
t2 --x o1:尝试获取锁顺序加锁的解决方案
sequenceDiagram
participant t1 as 线程1
participant t2 as 线程2
participant o1 as 对象A
participant o2 as 对象B
t1 -->> o1:尝试获取锁
Note over t1,o1: 拥有锁
t2 --x o1:尝试获取锁
t2 -->> o1:阻塞
t1 -->> o2:尝试获取锁
Note over t1,o2: 拥有锁然后这种顺序加锁的方案也可能会出现线程饥饿的问题。即某个线程一直能获取到锁，而其他线程则一直处于饥饿中等待锁
我们可以使用ReentrantLock来解决死锁，活锁，饥饿的问题
ReentrantLock
ReentrantLock是Java并发包下的类
相对于 synchronized 它具备如下特点
- 可中断
注意：这里的可中断是则别的线程可以破环某个线程的blocking状态，而不是拥有锁之后自己中断自己
- 可以设置超时时间
- 可以设置为公平锁
- 支持多个条件变量
synchronized只有一个条件变量，即条件不满足时进入waitSet等待
与 synchronized 一样，都支持可重入
基本语法
// 获取锁
reentrantLock.lock();
try {
// 临界区
} finally {
// 释放锁
reentrantLock.unlock();
}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();
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可打断
lockInterruptibly 被动方式防止死锁的发生
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();
}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);
t1.interrupt();
log.debug("执行打断");
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 - 获得了锁锁超时
主动方式防止死锁的发生
trylock 立刻失败：
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trylock 超时失败：
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 Chopstick extends ReentrantLock {
String name;
public Chopstick(String name) {
this.name = name;
}
@Override
public String toString() {
return "筷子{" + name + '}';
}
}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...");
Thread.sleep(1);
}
}公平锁
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
注意：该实验不一定总能浮现
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
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
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
例子：
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();
}
}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 - 等到了它的烟同步模式之顺序控制
固定运行顺序
比如，必须先 2 后 1
wait notify版
// 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
可以看到，实现上很麻烦:
- 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 可以使用 LockSupport 类的 park 和 unpark 来简化上面的题目:
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();park 和 unpark 方法比较灵活，他俩谁先调用，谁后调用无所谓。并且是以线程为单位进行『暂停』和『恢复』， 不需要『同步对象』和『运行标记』
交替输出
线程 1 输出 a 5 次，线程 2 输出 b 5 次，线程 3 输出 c 5 次。现在要求输出 abcabcabcabcabc 怎么实现
wait notify版
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();
}
}
}
}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();Lock 条件变量版
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;
}
}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);注意：该实现没有考虑 a，b，c 线程都就绪再开始
Park Unpark版
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]);
}
}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();总结
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
了解线程活跃性问题:死锁、活锁、饥饿
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（见下一章）
- 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