二、共享模型之管程
1. 共享带来的问题
1.1 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 （1）多个线程读共享资源其实也没有问题 （2）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--;
}
1.2 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
2. synchronized解决方案
2.1 解决方案
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
2.2 synchronized
使用的是阻塞式的解决方案：synchronized，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
语法
synchronized(对象) // 线程1， 线程2(blocked)
{
临界区
}
解决
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);
}
你可以做这样的类比：
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
2.3 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？-- 原子性
- 如果 t1 synchronized(obj1) 而 t2 synchronized(obj2) 会怎样运作？-- 锁对象
- 如果 t1 synchronized(obj) 而 t2 没有加会怎么样？如何理解？-- 锁对象
3. 方法上的synchronized
注意锁的不是方法，而是对象
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) {
}
}
}
3.1 不加 synchronized 的方法
不加 synchronzied 的方法就好比不遵守规则的人，不去老实排队（好比翻窗户进去的）
3.2 所谓的“线程八锁”
其实就是考察 synchronized 锁住的是哪个对象
线程八锁的重点：
- 非静态方法的默认锁是this，静态方法的默认锁是class
- 某一时刻内，只能有一个线程有锁，无论几个方法
情况1：12 或 21
@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2：1s后12，或 2 1s后 1
@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 1s 12 或 23 1s 1 或 32 1s 1
@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 1s 后 1
@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 1s 后 1
@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6：1s 后12， 或 2 1s后 1
@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 1s 后 1
@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8：1s 后12， 或 2 1s后 1
@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();
}
4. 变量的线程安全分析
4.1 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
4.2 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
4.3 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
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
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);
}
}
那么就不会有上述问题了
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
方法访问修饰符带来的思考，如果把 method2 和 method3 的方法修改为 public 会不会带来线程安全问题？
- 情况1：有其它线程调用 method2 和 method3
- 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，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();
}
}
4.4 常见线程安全类
- 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);
}
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 有同学或许有疑问，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？
public class Immutable{
private int value = 0;
public Immutable(int value){
this.value = value;
}
public int getValue(){
return this.value;
}
}
如果想增加一个增加的方法呢？
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1：
public class MyServlet extends HttpServlet {
// 是否安全？
Map<String,Object> map = new HashMap<>();
// 是否安全？
String S1 = "...";
// 是否安全？
final String S2 = "...";
// 是否安全？
Date D1 = new Date();
// 是否安全？
final Date D2 = new Date();
public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
// 使用上述变量
}
}
例2：
public class MyServlet extends HttpServlet {
// 是否安全？
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3：
@Aspect
@Component
public class MyAspect {
// 是否安全？
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4：
public class MyServlet extends HttpServlet {
// 是否安全
private UserService userService = new UserServiceImpl();
public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
userService.update(...);
}
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
// 是否安全
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
try (Connection conn = DriverManager.getConnection("","","")){
// ...
} catch (Exception e) {
// ...
}
}
}
例5：
public class MyServlet extends HttpServlet {
// 是否安全
private UserService userService = new UserServiceImpl();
public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
userService.update(...);
}
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
// 是否安全
private UserDao userDao = new UserDaoImpl();
public void update() {
userDao.update();
}
}
public class UserDaoImpl implements UserDao {
// 是否安全
private Connection conn = null;
public void update() throws SQLException {
String sql = "update user set password = ? where username = ?";
conn = DriverManager.getConnection("","","");
// ...
conn.close();
}
}
例6：
public class MyServlet extends HttpServlet {
// 是否安全
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
private Connection = null;
public void update() throws SQLException {
String sql = "update user set password = ? where username = ?";
conn = DriverManager.getConnection("","","");
// ...
conn.close();
}
}
例7：
public abstract class Test {
public void bar() {
// 是否安全
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
例8：
private static Integer i = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
List<Thread> list = new ArrayList<>();
for (int j = 0; j < 2; j++) {
Thread thread = new Thread(() -> {
for (int k = 0; k < 5000; k++) {
synchronized (i) {
i++;
}
}
}, "" + j);
list.add(thread);
}
list.stream().forEach(t -> t.start());
list.stream().forEach(t -> {
try {
t.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
log.debug("{}", i);
}
5. 习题
5.1 卖票练习
测试下面代码是否存在线程安全问题，并尝试改正
public class ExerciseSell {
public static void main(String[] args) {
TicketWindow ticketWindow = new TicketWindow(2000);
List<Thread> list = new ArrayList<>();
// 用来存储买出去多少张票
List<Integer> sellCount = new Vector<>();
for (int i = 0; i < 2000; i++) {
Thread t = new Thread(() -> {
// 分析这里的竞态条件
int count = ticketWindow.sell(randomAmount());
sellCount.add(count);
});
list.add(t);
t.start();
}
list.forEach((t) -> {
try {
t.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
// 买出去的票求和
log.debug("selled count:{}",sellCount.stream().mapToInt(c -> c).sum());
// 剩余票数
log.debug("remainder count:{}", ticketWindow.getCount());
}
// Random 为线程安全
static Random random = new Random();
// 随机 1~5
public static int randomAmount() {
return random.nextInt(5) + 1;
}
}
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;
}
}
}
另外，用下面的代码行不行，为什么？
List<Integer> sellCount = new ArrayList<>();
测试脚本
for /L %n in (1,1,10) do java -cp ".;D:\Users\Administrator\.m2\repository\ch\qos\logback\1.2.3\logback-classic-1.2.3.jar;D:\Users\Administrator\.m2\repository\ch\qos\logback\logbackcore\1.2.3\logback-core-1.2.3.jar;D:\Users\Administrator\.m2\repository\org\slf4j\slf4japi\1.7.25\slf4j-api-1.7.25.jar" cn.itcast.n4.exercise.ExerciseSell
5.2 转账练习
测试下面代码是否存在线程安全问题，并尝试改正
public class ExerciseTransfer {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Account a = new Account(1000);
Account b = new Account(1000);
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
a.transfer(b, randomAmount());
}
}, "t1");
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
b.transfer(a, randomAmount());
}
}, "t2");
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
// 查看转账2000次后的总金额
log.debug("total:{}",(a.getMoney() + b.getMoney()));
}
// Random 为线程安全
static Random random = new Random();
// 随机 1~100
public static int randomAmount() {
return random.nextInt(100) +1;
}
}
class Account {
private int money;
public Account(int money) {
this.money = money;
}
public int getMoney() {
return money;
}
public void setMoney(int money) {
this.money = money;
}
public void transfer(Account target, int amount) {
if (this.money > amount) {
this.setMoney(this.getMoney() - amount);
target.setMoney(target.getMoney() + amount);
}
}
}
这样改正行不行，为什么？
public synchronized void transfer(Account target, int amount) {
if (this.money > amount) {
this.setMoney(this.getMoney() - amount);
target.setMoney(target.getMoney() + amount);
}
}
6. Monitor 概念
6.1 Java 对象头
以 32 位虚拟机为例
普通对象
|--------------------------------------------------------------|
| Object Header (64 bits) |
|------------------------------------|-------------------------|
| Mark Word (32 bits) | Klass Word (32 bits) |
|------------------------------------|-------------------------|
数组对象
|---------------------------------------------------------------------------------|
| Object Header (96 bits) |
|--------------------------------|-----------------------|------------------------|
| Mark Word(32bits) | Klass Word(32bits) | array length(32bits) |
|--------------------------------|-----------------------|------------------------|
其中 Mark Word 结构为
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| Mark Word (32 bits) | State |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| hashcode:25 | age:4 | biased_lock:0 | 01 | Normal |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| thread:23 | epoch:2 | age:4 | biased_lock:1 | 01 | Biased |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| ptr_to_lock_record:30 | 00 | Lightweight Locked |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| ptr_to_heavyweight_monitor:30 | 10 | Heavyweight Locked |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
| | 11 | Marked for GC |
|-------------------------------------------------------|--------------------|
64 位虚拟机 Mark Word
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| Mark Word (64 bits) | State |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| unused:25 | hashcode:31 | unused:1 | age:4 | biased_lock:0 | 01 | Normal |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| thread:54 | epoch:2 | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | 01 | Biased |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| ptr_to_lock_record:62 | 00 | Lightweight Locked |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| ptr_to_heavyweight_monitor:62 | 10 | Heavyweight Locked |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| | 11 | Marked for GC |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
参考资料
https://stackoverflow.com/questions/26357186/what-is-in-java-object-header
6.2 原理之 Monitor(锁)
Monitor 被翻译为监视器或管程
每个 Java 对象都可以关联一个 Monitor 对象，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，竞争的时是非公平的
- 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
6.3 原理之 synchronized
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
4: astore_1 // lock引用 -> slot 1
5: monitorenter // 将 lock对象 MarkWord 置为 Monitor 指针
6: getstatic #3 // <- i
9: iconst_1 // 准备常数 1
10: iadd // +1
11: putstatic #3 // -> i
14: aload_1 // <- lock引用
15: monitorexit // 将 lock对象 MarkWord 重置, 唤醒 EntryList
16: goto 24
19: astore_2 // e -> slot 2
20: aload_1 // <- lock引用
21: monitorexit // 将 lock对象 MarkWord 重置, 唤醒 EntryList
22: aload_2 // <- slot 2 (e)
23: athrow // throw e
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
6.4 小故事
故事角色
- 老王 - JVM
- 小南 - 线程
- 小女 - 线程
- 房间 - 对象
- 房间门上 - 防盗锁 - Monitor
- 房间门上 - 小南书包 - 轻量级锁
- 房间门上 - 刻上小南大名 - 偏向锁
- 批量重刻名 - 一个类的偏向锁撤销到达 20 阈值
- 不能刻名字 - 批量撤销该类对象的偏向锁，设置该类不可偏向
小南要使用房间保证计算不被其它人干扰（原子性），最初，他用的是防盗锁，当上下文切换时，锁住门。这样， 即使他离开了，别人也进不了门，他的工作就是安全的。
但是，很多情况下没人跟他来竞争房间的使用权。小女是要用房间，但使用的时间上是错开的，小南白天用，小女 晚上用。每次上锁太麻烦了，有没有更简单的办法呢？
小南和小女商量了一下，约定不锁门了，而是谁用房间，谁把自己的书包挂在门口，但他们的书包样式都一样，因 此每次进门前得翻翻书包，看课本是谁的，如果是自己的，那么就可以进门，这样省的上锁解锁了。万一书包不是 自己的，那么就在门外等，并通知对方下次用锁门的方式。
后来，小女回老家了，很长一段时间都不会用这个房间。小南每次还是挂书包，翻书包，虽然比锁门省事了，但仍 然觉得麻烦。
于是，小南干脆在门上刻上了自己的名字：【小南专属房间，其它人勿用】，下次来用房间时，只要名字还在，那 么说明没人打扰，还是可以安全地使用房间。如果这期间有其它人要用这个房间，那么由使用者将小南刻的名字擦 掉，升级为挂书包的方式。
同学们都放假回老家了，小南就膨胀了，在 20 个房间刻上了自己的名字，想进哪个进哪个。后来他自己放假回老 家了，这时小女回来了（她也要用这些房间），结果就是得一个个地擦掉小南刻的名字，升级为挂书包的方式。老 王觉得这成本有点高，提出了一种批量重刻名的方法，他让小女不用挂书包了，可以直接在门上刻上自己的名字
后来，刻名的现象越来越频繁，老王受不了了：算了，这些房间都不能刻名了，只能挂书包
6.5 原理之 synchronized 进阶
轻量级锁
轻量即锁的使用场景，如果一个对象虽然有多线程访问，但多线程访问的时间是错开的 (也就是没有竞争)，那么可以使用轻量级锁来优化。
轻量级锁对使用者是透明的，即语法依然是 synchronized
假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁
static final Object obj = new Object();
public static void method1() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 A
method2();
}
}
public static void method2() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 B
}
}
- 创建锁记录 (Lock Record)，对象，每个线程的栈帧都包含一个锁记录的结构，内部可以存储锁对象的 Mark Word
- 让锁记录中 Object reference 指向锁对象，并尝试用 cas 替换 Object 的 Mark Word，将 Mark Word 的值存入锁记录
- 如果 cas 替换成功，对象头中存储了 锁记录地址和状态 00 ，表示由该线程给对象加锁，这时图示如下
-
如果 cas 失败，有两种情况
- 如果是其它线程已经持有了该 Object 的轻量级锁，这时表明有竞争，进入锁膨胀过程
- 如果是自己执行了 synchronized 锁重入，那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数
-
当退出 synchronized 代码块（解锁时）如果有取值为 null 的锁记录，表示有重入，这时重置锁记录，表示重入计数减一
- 当退出 synchronized 代码块（解锁时）锁记录的值不为 null，这时使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头
- 成功，则解锁成功
- 失败，说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程
锁膨胀
如果在尝试加轻量级锁的过程中，CAS 操作无法成功，这时一种情况就是有其它线程为此对象加上了轻量级锁（有竞争），这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁
static Object obj = new Object();
public static void method1() {
synchronized( obj ) {
// 同步块
}
}
- 当 Thread-1 进行轻量级加锁时，Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁
-
这时 Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程
- 即为 Object 对象申请 Monitor 锁，让 Object 指向重量级锁地址
- 然后自己进入 Monitor 的 EntryList BLOCKED
-
当 Thread-0 退出同步块解锁时，使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头，失败。这时会进入重量级解锁流程，即按照 Monitor 地址找到 Monitor 对象，设置 Owner 为 null，唤醒 EntryList 中 BLOCKED 线程
自旋优化
重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自旋成功（即这时候持锁线程已经退出了同步块，释放了锁），这时当前线程就可以避免阻塞。
自旋重试成功的情况
| 线程 1 （core 1 上） | 对象 Mark | 线程 2 （core 2 上） |
|---|---|---|
| - | 10（重量锁） | - |
| 访问同步块，获取 monitor | 10（重量锁）重量锁指针 | - |
| 成功（加锁） | 10（重量锁）重量锁指针 | - |
| 执行同步块 | 10（重量锁）重量锁指针 | - |
| 执行同步块 | 10（重量锁）重量锁指针 | 访问同步块，获取 monitor |
| 执行同步块 | 10（重量锁）重量锁指针 | 自旋重试 |
| 执行完毕 | 10（重量锁）重量锁指针 | 自旋重试 |
| 成功（解锁） | 01（无锁） | 自旋重试 |
| - | 10（重量锁）重量锁指针 | 成功（加锁） |
| - | 10（重量锁）重量锁指针 | 执行同步块 |
| - | ... | ... |
自旋重试失败的情况
| 线程 1（core 1 上） | 对象 Mark | 线程 2（core 2 上） |
|---|---|---|
| - | 10（重量锁） | - |
| 访问同步块，获取 monitor | 10（重量锁）重量锁指针 | - |
| 成功（加锁） | 10（重量锁）重量锁指针 | - |
| 执行同步块 | 10（重量锁）重量锁指针 | - |
| 执行同步块 | 10（重量锁）重量锁指针 | 访问同步块，获取 monitor |
| 执行同步块 | 10（重量锁）重量锁指针 | 自旋重试 |
| 执行同步块 | 10（重量锁）重量锁指针 | 自旋重试 |
| 执行同步块 | 10（重量锁）重量锁指针 | 自旋重试 |
| 执行同步块 | 10（重量锁）重量锁指针 | 阻塞 |
| - | ... | ... |
- 自旋会占用 CPU 时间，单核 CPU 自旋就是浪费，多核 CPU 自旋才能发挥优势。
- 在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋，总之，比较智能。
- Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能
偏向锁
轻量级锁在没有竞争时（就自己这个线程），每次重入仍然需要执行 CAS 操作。
Java 6 中引入了偏向锁来做进一步优化：只有第一次使用 CAS 将线程 ID 设置到对象的 Mark Word 头，之后发现这个线程 ID 是自己的就表示没有竞争，不用重新 CAS。以后只要不发生竞争，这个对象就归该线程所有
例如：
static final Object obj = new Object();
public static void m1() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 A
m2();
}
}
public static void m2() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 B
m3();
}
}
public static void m3() {
synchronized( obj ) {
// 同步块 C
}
}
偏向状态
回忆一下对象头格式
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| Mark Word (64 bits) | State |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| unused:25 | hashcode:31 | unused:1 | age:4 | biased_lock:0 | 01 | Normal |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| thread:54 | epoch:2 | unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | 01 | Biased |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| ptr_to_lock_record:62 | 00 | Lightweight Locked |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| ptr_to_heavyweight_monitor:62 | 10 | Heavyweight Locked |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
| | 11 | Marked for GC |
|--------------------------------------------------------------------|--------------------|
一个对象创建时：
- 如果开启了偏向锁（默认开启），那么对象创建后，markword 值为 0x05 即最后 3 位为 101，这时它的thread、epoch、age 都为 0
- 偏向锁是默认是延迟的，不会在程序启动时立即生效，如果想避免延迟，可以加 VM 参数
-XX:BiasedLockingStartupDelay=0来禁用延迟 - 如果没有开启偏向锁，那么对象创建后，markword 值为 0x01 即最后 3 位为 001，这时它的 hashcode、age 都为 0，第一次用到 hashcode 时才会赋值
1） 测试延迟特性
// 添加虚拟机参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
Dog d = new Dog();
ClassLayout classLayout = ClassLayout.parseInstance(d);
System.out.println(classLayout.toPrintable());
// HotSpot 虚拟机在启动后有个 4s 的延迟才会对每个新建的对象开启偏向锁模式
Thread.sleep(3000);
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(new Dog()).toPrintable());
由于偏向锁是有延迟的，直接 给对象加锁是 看不到 偏向锁 效果的，可以使用Thread.sleep(4000)，或者 开启禁用 偏向锁延迟 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
2） 测试偏向锁
class Dog {}
利用 jol 第三方工具来查看对象头信息（注意这里我扩展了 jol 让它输出更为简洁）
<dependency>
<groupId>org.openjdk.jol</groupId>
<artifactId>jol-core</artifactId>
<version>0.9</version>
</dependency>
// 第一种方式：添加虚拟机参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
//没有 延迟等待的话。就看不到 偏向锁的效果
//第二种方式：Thread.sleep(4000);
Dog d = new Dog();
ClassLayout classLayout = ClassLayout.parseInstance(d);
new Thread(() -> {
log.debug("synchronized 前");
System.out.println(classLayout.toPrintable());
synchronized (d) {
log.debug("synchronized 中");
System.out.println(classLayout.toPrintable());
}
log.debug("synchronized 后");
System.out.println(classLayout.toPrintable());
}, "t1").start();
有了偏向锁后
// 第一种方式：添加虚拟机参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0
//没有 延迟等待的话。就看不到 偏向锁的效果
// 第二种方式：
Thread.sleep(4000);
Dog d = new Dog();
ClassLayout classLayout = ClassLayout.parseInstance(d);
new Thread(() -> {
log.debug("synchronized 前");
System.out.println(classLayout.toPrintable());
synchronized (d) {
log.debug("synchronized 中");
System.out.println(classLayout.toPrintable());
}
log.debug("synchronized 后");
System.out.println(classLayout.toPrintable());
}, "t1").start();
观察偏向锁与没有偏向锁导致重入锁的差异
//没有 延迟等待的话。就看不到 偏向锁的效果
Thread.sleep(4000);
Dog d = new Dog();
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintable());
synchronized (d) {
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintable());
}
synchronized (d) {
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintable());
}
没有偏向锁，需要锁重入CAS
Dog d = new Dog();
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintable());
synchronized (d) {
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintable());
}
synchronized (d) {
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintable());
}
撤销 - 调用对象 hashCode
调用了对象的 hashCode，但偏向锁的对象 MarkWord 中存储的是线程 id，如果调用 hashCode 会导致偏向锁被撤销
- 轻量级锁会在锁记录中记录 hashCode
- 重量级锁会在 Monitor 中记录 hashCode
在调用 hashCode 后使用偏向锁，记得去掉 -XX:-UseBiasedLocking (禁用偏向锁)
Thread.sleep(4000);
Dog d = new Dog();
d.hashCode();
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintable());
synchronized (d) {
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintable());
}
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintable());
输出
11:22:10.386 c.TestBiased [main] - 调用 hashCode:1778535015
11:22:10.391 c.TestBiased [t1] - synchronized 前
00000000 00000000 00000000 01101010 00000010 01001010 01100111 00000001
11:22:10.393 c.TestBiased [t1] - synchronized 中
00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 11000011 11110011 01101000
11:22:10.393 c.TestBiased [t1] - synchronized 后
00000000 00000000 00000000 01101010 00000010 01001010 01100111 00000001
撤销 - 其他线程使用对象
当有其它线程使用偏向锁对象时，会将偏向锁升级为轻量级锁
private static void test2() throws InterruptedException {
Dog d = new Dog();
Thread t1 = new Thread(() -> {
synchronized (d) {
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
synchronized (TestBiased.class) {
TestBiased.class.notify();
}
// 如果不用 wait/notify 使用 join 必须打开下面的注释
// 因为：t1 线程不能结束，否则底层线程可能被 jvm 重用作为 t2 线程，底层线程 id 是一样的
/*try {
System.in.read();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}*/
}, "t1");
t1.start();
Thread t2 = new Thread(() -> {
synchronized (TestBiased.class) {
try {
TestBiased.class.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
synchronized (d) {
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}, "t2");
t2.start();
}
输出
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 01000001 00010000 00000101
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 01000001 00010000 00000101
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 10110101 11110000 01000000 由于是偏向锁，撤销锁再 CAS
[t2] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001 不可偏向
撤销 - 调用wait/notify
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Dog d = new Dog();
Thread t1 = new Thread(() -> {
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
synchronized (d) {
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
try {
d.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
}, "t1");
t1.start();
new Thread(() -> {
try {
Thread.sleep(6000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (d) {
log.debug("notify");
d.notify();
}
}, "t2").start();
}
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000101
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 10110011 11111000 00000101
[t2] - notify
[t1] - 00000000 00000000 00000000 00000000 00011100 11010100 00001101 11001010
批量重偏向
如果对象虽然被多个线程访问，但没有竞争，这时偏向了线程 T1 的对象仍有机会重新偏向 T2，重偏向会重置对象的 Thread ID
当撤销偏向锁阈值超过 20 次后，jvm 会这样觉得，我是不是偏向错了呢，于是会在给这些对象加锁时重新偏向至加锁线程
- 只会偏一次，如果又有一个线程 加锁，它不会在 锁阈值 超过20 次 重偏向，不过在 40 次之后会撤销 偏向锁，升级为 轻量锁 CAS
private static void test3() throws InterruptedException {
Vector<Dog> list = new Vector<>();
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 30; i++) {
Dog d = new Dog();
list.add(d);
synchronized (d) {
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
}
synchronized (list) {
//
list.notify();
}
}, "t1");
t1.start();
Thread t2 = new Thread(() -> {
synchronized (list) {
try {
list.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
log.debug("===============> ");
for (int i = 0; i < 30; i++) {
Dog d = list.get(i);
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
synchronized (d) {
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
}, "t2");
t2.start();
}
输出
[t1] - 0 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 1 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 2 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 3 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 4 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 5 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 6 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 7 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 8 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 9 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 10 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 11 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 12 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 13 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 14 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 15 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 16 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 17 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 18 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 19 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 20 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 21 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 22 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 23 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 24 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 25 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 26 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 27 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 28 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t1] - 29 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - ===============>
[t2] - 0 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 0 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 0 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 1 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 1 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 1 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 2 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 2 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 2 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 3 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 3 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 3 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 4 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 4 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 4 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 5 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 5 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 5 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 6 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 6 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 6 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
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[t2] - 7 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 7 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 8 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 8 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 8 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 9 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 9 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 9 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 10 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
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[t2] - 10 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 11 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 11 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 11 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 12 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 12 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 12 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 13 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 13 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 13 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 14 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 14 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 14 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 15 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 15 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 15 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 16 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 16 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 16 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 17 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 17 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 17 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 18 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 18 00000000 00000000 00000000 00000000 00100000 01011000 11110111 00000000
[t2] - 18 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000001
[t2] - 19 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 19 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 19 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 20 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 20 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 20 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 21 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 21 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 21 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 22 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 22 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 22 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 23 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 23 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 23 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 24 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 24 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 24 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 25 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 25 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 25 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 26 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 26 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 26 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 27 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 27 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 27 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 28 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 28 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 28 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 29 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11100000 00000101
[t2] - 29 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
[t2] - 29 00000000 00000000 00000000 00000000 00011111 11110011 11110001 00000101
批量撤销
当撤销偏向锁阈值超过 40 次后，jvm 会这样觉得，自己确实偏向错了，根本就不该偏向。于是整个类的所有对象都会变为不可偏向的，新建的对象也是不可偏向的
static Thread t1,t2,t3;
private static void test4() throws InterruptedException {
Vector<Dog> list = new Vector<>();
int loopNumber = 39;
t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
Dog d = new Dog();
list.add(d);
synchronized (d) {
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
}
LockSupport.unpark(t2);
}, "t1");
t1.start();
t2 = new Thread(() -> {
LockSupport.park();
log.debug("===============> ");
for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
Dog d = list.get(i);
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
synchronized (d) {
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
LockSupport.unpark(t3);
}, "t2");
t2.start();
t3 = new Thread(() -> {
LockSupport.park();
log.debug("===============> ");
for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
Dog d = list.get(i);
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
synchronized (d) {
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintableSimple(true));
}
}, "t3");
t3.start();
t3.join();
log.debug(ClassLayout.parseInstance(new Dog()).toPrintableSimple(true));
}
参考资料 https://github.com/farmerjohngit/myblog/issues/12 https://www.cnblogs.com/LemonFive/p/11246086.html https://www.cnblogs.com/LemonFive/p/11248248.html 偏向锁论文
锁消除
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++;
}
@Benchmark
public void b() throws Exception {
Object o = new Object();
synchronized (o) {
x++;
}
}
}
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
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。
7. wait notify
7.1 小故事 - 为什么需要 wait
-
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）等着去了，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
7.2 原理之 wait / notify
- 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
7.3 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
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
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
8. wait notify 正确姿势
开始之前先看看
8.1 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- 它们状态
TIMED_WAITING
step1
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，main没加 synchronized就好像main线程是翻窗户进来的- 解决方法，使用
wait - notify机制
step2
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？
step3
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
step4
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
step5
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！
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
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 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
带超时版 GuarderObject
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);
} 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);
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...
原理之 join
是调用者轮询检查线程 alive 状态
t1.join();
等价于下面的代码
synchronized (t1) {
// 调用者线程进入 t1 的 waitSet 等待, 即 调用 join 方法的 线程, 直到 t1 运行结束
while (t1.isAlive()) {
t1.wait(0);// 调用本地方法，会一直睡眠
}
}
注意
join 体现的是【保护性暂停】模式，请参考之
多任务版 GuarderObject
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 InterruptedException {
for (int i = 0; i < 3; i++) {
new People().start();
}
Sleeper.sleep(1);
for (Integer id : Mailboxes.getIds()) {
new Postman(id, "内容" + id).start();
}
}
某次运行结果
10:35:05.689 c.People [Thread-1] - 开始收信 id:3
10:35:05.689 c.People [Thread-2] - 开始收信 id:1
10:35:05.689 c.People [Thread-0] - 开始收信 id:2
10:35:06.688 c.Postman [Thread-4] - 送信 id:2, 内容:内容2
10:35:06.688 c.Postman [Thread-5] - 送信 id:1, 内容:内容1
10:35:06.688 c.People [Thread-0] - 收到信 id:2, 内容:内容2
10:35:06.688 c.People [Thread-2] - 收到信 id:1, 内容:内容1
10:35:06.688 c.Postman [Thread-3] - 送信 id:3, 内容:内容3
10:35:06.689 c.People [Thread-1] - 收到信 id:3, 内容:内容3
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;
}
}
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
# 这里其实上面两个生产不了的有一个已经生产了，库存又满了
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
9. Park & Unpark
9.1 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...
9.2 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】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
9.3 原理之 park & unpark
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**（park之前没有unpark）**
- 如果备用干粮充足，那么不需停留，继续前进 （park之前有unpark）
- 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 （park之后有unpark）
- 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 (park之前有多次unpark，只对首个park起作用)
- 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_
- 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
10. 重新理解线程状态转换
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
- 竞争锁成功，t 线程从
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 3 RUNNABLE <--> WAITING
- 当前线程调用
t.join()方法时，当前线程从RUNNABLE --> WAITING- 注意是当前线程在t 线程对象的监视器上等待
- t 线程运行结束，或调用了当前线程的
interrupt()时，当前线程从WAITING --> RUNNABLE
情况 4 RUNNABLE <--> WAITING
- 当前线程调用
LockSupport.park()方法会让当前线程从RUNNABLE --> WAITING - 调用
LockSupport.unpark(目标线程)或调用了线程 的interrupt()，会让目标线程从WAITING -->RUNNABLE
情况 5 RUNNABLE <--> TIMED_WAITING
t 线程用 synchronized(obj) 获取了对象锁后
- 调用
obj.wait(long n)方法时，t 线程从RUNNABLE --> TIMED_WAITING - t 线程等待时间超过了 n 毫秒，或调用
obj.notify()，obj.notifyAll()，t.interrupt()时- 竞争锁成功，t 线程从
TIMED_WAITING --> RUNNABLE - 竞争锁失败，t 线程从
TIMED_WAITING --> BLOCKED
- 竞争锁成功，t 线程从
情况 6 RUNNABLE <--> TIMED_WAITING
- 当前线程调用
t.join(long n)方法时，当前线程从RUNNABLE --> TIMED_WAITING- 注意是当前线程在t 线程对象的监视器上等待
- 当前线程等待时间超过了 n 毫秒，或t 线程运行结束，或调用了当前线程的
interrupt()时，当前线程从TIMED_WAITING --> RUNNABLE
情况 7 RUNNABLE <--> TIMED_WAITING
- 当前线程调用
Thread.sleep(long n)，当前线程从RUNNABLE --> TIMED_WAITING - 当前线程等待时间超过了 n 毫秒，当前线程从
TIMED_WAITING --> RUNNABLE
情况 8 RUNNABLE <--> TIMED_WAITING
- 当前线程调用
LockSupport.parkNanos(long nanos)或LockSupport.parkUntil(long millis)时，当前线程从RUNNABLE --> TIMED_WAITING - 调用
LockSupport.unpark(目标线程)或调用了线程 的interrupt()，或是等待超时，会让目标线程从TIMED_WAITING--> RUNNABLE
情况 9 RUNNABLE <--> BLOCKED
- t 线程用
synchronized(obj)获取了对象锁时如果竞争失败，从RUNNABLE --> BLOCKED - 持 obj 锁线程的同步代码块执行完毕，会唤醒该对象上所有
BLOCKED的线程重新竞争，如果其中 t 线程竞争成功，从BLOCKED --> RUNNABLE，其它失败的线程仍然BLOCKED
情况 10 RUNNABLE <--> TERMINATED
当前线程所有代码运行完毕，进入 TERMINATED
11. 多把锁
11.1 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");
Sleeper.sleep(2);
}
}
public void study() {
synchronized (this) {
log.debug("study 1 小时");
Sleeper.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");
Sleeper.sleep(2);
}
}
public void study() {
synchronized (studyRoom) {
log.debug("study 1 小时");
Sleeper.sleep(1);
}
}
}
某次执行结果
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
12. 活跃性
12.1 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
- 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
12.2 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：
cmd > jps
Picked up JAVA_TOOL_OPTIONS: -Dfile.encoding=UTF-8
12320 Jps
22816 KotlinCompileDaemon
33200 TestDeadLock // JVM 进程
11508 Main
28468 Launcher
cmd > 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
12.3 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...");
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();
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
12.4 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();
}
}
12.5 饥饿
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，讲读写锁时会涉及饥饿问题
下面我讲一下我遇到的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
13. 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
reentrantLock.lock();
try {
// 临界区
} finally {
// 释放锁
reentrantLock.unlock();
}
13.1 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();
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
13.2 可打断
示例
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
- 可打断只能在阻塞时被打断（打断后只会再重新执行循环，并不是真正打断），而获取锁后是不可打断的
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
13.3 锁超时
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
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...");
Sleeper.sleep(1);
}
}
13.4 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：该实验不一定总能复现
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
13.5 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（透明释放锁，关键，可以有多个线程同时处于waing），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
13.6 同步模式之顺序控制
固定运行顺序
比如，必须先 2 后 1 打印
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();
}
2. 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();
14. 本章小结
本章我们需要重点掌握的是
-
分析多线程访问共享资源时，哪些代码片段属于临界区
-
使用 synchronized 互斥解决临界区的线程安全问题
- 掌握 synchronized 锁对象语法
- 掌握 synchronzied 加载成员方法和静态方法语法
- 掌握 wait/notify 同步方法
-
使用 lock 互斥解决临界区的线程安全问题
- 掌握 lock 的使用细节：可打断、锁超时、公平锁、条件变量
-
学会分析变量的线程安全性、掌握常见线程安全类的使用
-
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
- 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
