Java并发之嵌套管程锁死(Nested Monitor Lockout)

• 嵌套管程死锁是如何发生的

• 具体的嵌套管程死锁的例子
• 嵌套管程死锁 vs 死锁

嵌套管程锁死类似于死锁， 下面是一个嵌套管程锁死的场景：

Thread 1 synchronizes on A
Thread 1 synchronizes on B (while synchronized on A)
Thread 1 decides to wait for a signal from another thread before continuing
Thread 1 calls B.wait() thereby releasing the lock on B, but not A.

Thread 2 needs to lock both A and B (in that sequence)
        to send Thread 1 the signal.
Thread 2 cannot lock A, since Thread 1 still holds the lock on A.
Thread 2 remain blocked indefinately waiting for Thread1
        to release the lock on A

Thread 1 remain blocked indefinately waiting for the signal from
        Thread 2, thereby
        never releasing the lock on A, that must be released to make
        it possible for Thread 2 to send the signal to Thread 1, etc.

线程1获得A对象的锁。
线程1获得对象B的锁（同时持有对象A的锁）。
线程1决定等待另一个线程的信号再继续。
线程1调用B.wait()，从而释放了B对象上的锁，但仍然持有对象A的锁。

线程2需要同时持有对象A和对象B的锁，才能向线程1发信号。
线程2无法获得对象A上的锁，因为对象A上的锁当前正被线程1持有。
线程2一直被阻塞，等待线程1释放对象A上的锁。

线程1一直阻塞，等待线程2的信号，因此，不会释放对象A上的锁，
    而线程2需要对象A上的锁才能给线程1发信号……

我们看下面这个实际的例子：

//lock implementation with nested monitor lockout problem

public class Lock{
  protected MonitorObject monitorObject = new MonitorObject();
  protected boolean isLocked = false;

  public void lock() throws InterruptedException{
    synchronized(this){
      while(isLocked){
        synchronized(this.monitorObject){
            this.monitorObject.wait();
        }
      }
      isLocked = true;
    }
  }

  public void unlock(){
    synchronized(this){
      this.isLocked = false;
      synchronized(this.monitorObject){
        this.monitorObject.notify();
      }
    }
  }
}

可以看到，lock()方法首先在”this”上同步，然后在monitorObject上同步。如果isLocked等于false，因为线程不会继续调用monitorObject.wait()，那么一切都没有问题 。但是如果isLocked等于true，调用lock()方法的线程会在monitorObject.wait()上阻塞。

这里的问题在于，调用monitorObject.wait()方法只释放了monitorObject上的管程对象，而与”this“关联的管程对象并没有释放。换句话说，这个刚被阻塞的线程仍然持有”this”上的锁。

（校对注：如果一个线程持有这种Lock的时候另一个线程执行了lock操作）当一个已经持有这种Lock的线程想调用unlock(),就会在unlock()方法进入synchronized(this)块时阻塞。这会一直阻塞到在lock()方法中等待的线程离开synchronized(this)块。但是，在unlock中isLocked变为false，monitorObject.notify()被执行之后，lock()中等待的线程才会离开synchronized(this)块。

简而言之，在lock方法中等待的线程需要其它线程成功调用unlock方法来退出lock方法，但是，在lock()方法离开外层同步块之前，没有线程能成功执行unlock()。

结果就是，任何调用lock方法或unlock方法的线程都会一直阻塞。这就是嵌套管程锁死。

具体的嵌套管程死锁的例子

例如，如果你准备实现一个公平锁。你可能希望每个线程在它们各自的QueueObject上调用wait()，这样就可以每次唤醒一个线程。

//Fair Lock implementation with nested monitor lockout problem

public class FairLock {
  private boolean           isLocked       = false;
  private Thread            lockingThread  = null;
  private List waitingThreads =
            new ArrayList();

  public void lock() throws InterruptedException{
    QueueObject queueObject = new QueueObject();

    synchronized(this){
      waitingThreads.add(queueObject);

      while(isLocked || waitingThreads.get(0) != queueObject){

        synchronized(queueObject){
          try{
            queueObject.wait();
          }catch(InterruptedException e){
            waitingThreads.remove(queueObject);
            throw e;
          }
        }
      }
      waitingThreads.remove(queueObject);
      isLocked = true;
      lockingThread = Thread.currentThread();
    }
  }

  public synchronized void unlock(){
    if(this.lockingThread != Thread.currentThread()){
      throw new IllegalMonitorStateException(
        "Calling thread has not locked this lock");
    }
    isLocked      = false;
    lockingThread = null;
    if(waitingThreads.size() > 0){
      QueueObject queueObject = waitingThread.get(0);
      synchronized(queueObject){
        queueObject.notify();
      }
    }
  }
}

乍看之下，嗯，很好，但是请注意lock方法是怎么调用queueObject.wait()的，在方法内部有两个synchronized块，一个锁定this，一个嵌在上一个synchronized块内部，它锁定的是局部变量queueObject。
当一个线程调用queueObject.wait()方法的时候，它仅仅释放的是在queueObject对象实例的锁，并没有释放”this”上面的锁。

现在我们还有一个地方需要特别注意， unlock方法被声明成了synchronized，这就相当于一个synchronized（this）块。这就意味着，如果一个线程在lock()中等待，该线程将持有与this关联的管程对象。所有调用unlock()的线程将会一直保持阻塞，等待着前面那个已经获得this锁的线程释放this锁，但这永远也发生不了，因为只有某个线程成功地给lock()中等待的线程发送了信号，this上的锁才会释放，但只有执行unlock()方法才会发送这个信号。

因此，上面的公平锁的实现会导致嵌套管程锁死。

Nested Monitor Lockout vs. Deadlock

嵌套管程锁死与死锁很像：都是线程最后被一直阻塞着互相等待。
但是两者又不完全相同。在死锁中我们已经对死锁有了个大概的解释，死锁通常是因为两个线程获取锁的顺序不一致造成的，线程1锁住A，等待获取B，线程2已经获取了B，再等待获取A。如死锁避免中所说的，死锁可以通过总是以相同的顺序获取锁来避免。但是发生嵌套管程锁死时锁获取的顺序是一致的。线程1获得A和B，然后释放B，等待线程2的信号。线程2需要同时获得A和B，才能向线程1发送信号。所以，一个线程在等待唤醒，另一个线程在等待想要的锁被释放。
不同点归纳如下：

In deadlock, two threads are waiting for each other to release locks.

In nested monitor lockout, Thread 1 is holding a lock A, and waits
for a signal from Thread 2. Thread 2 needs the lock A to send the
signal to Thread 1.

死锁中，二个线程都在等待对方释放锁。

嵌套管程锁死中，线程1持有锁A，同时等待从线程2发来的信号，线程2需要锁A来发信号给线程1。