共享模型之管程
1、共享带来的问题
线程出现问题的根本原因是因为线程上下文切换，导致线程里的指令没有执行完就切换执行其它线程了，下面举一个例子 Test13.java
static int count = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(()->{
for (int i = 1;i<5000;i++){
count++;
}
});
Thread t2 =new Thread(()->{
for (int i = 1;i<5000;i++){
count--;
}
});
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
log.debug("count的值是{}",count);
}
我将从字节码的层面进行分析：
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
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
可以看到count++ 和 count-- 操作实际都是需要这个4个指令完成的，那么这里问题就来了！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：
如果代码是正常按顺序运行的，那么count的值不会计算错
出现负数的情况：
出现正数的情况：
问题的进一步描述
(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--;
}
(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
(1)解决手段
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
本次课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(blocked)。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
(2)synchronized语法
synchronized(对象) {
//临界区
}
例：
static int counter = 0;
//创建一个公共对象，作为对象锁的对象
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);
}Copy
synchronized原理
synchronized实际上利用对象保证了临界区代码的原子性，临界区内的代码在外界看来是不可分割的，不会被线程切换所打断
思考
如果 t1 synchronized(obj) 而 t2 没有加会怎么样？如何理解？-- 锁对象
那么t2不会被阻塞可以直接运行
(3)synchronized加在方法上
-
加在成员方法上
锁住的是当前方法所在类
public class Demo { //在方法上加上synchronized关键字 public synchronized void test() { } //等价于 public void test() { synchronized(this) { } } }Copy -
加在静态方法上
public class Demo { //在静态方法上加上synchronized关键字 public synchronized static void test() { } //等价于 public void test() { synchronized(Demo.class) { } } }
3、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 （要看该对象
是否被共享
且被执行了读写操作）
- 如果该对象没有逃离方法的作用范围，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
-
局部变量是线程安全的——每个方法都在对应线程的栈中创建栈帧，不会被其他线程共享
- 如果调用的对象被共享，且执行了读写操作，则线程不安全
- 如果是局部变量，则会在堆中创建对应的对象，不会存在线程安全问题。
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
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 会不会代理线程安全问题？
- 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();
}
}
常见线程安全类
- String
- Integer
- StringBuffer
- Random
- Vector （List的线程安全实现类）
- Hashtable （Hash的线程安全实现类）
- 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
- 它们的每个方法是原子的（都被加上了synchronized）
- 但注意它们多个方法的组合不是原子的，所以可能会出现线程安全问题
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？
这是因为这些方法的返回值都创建了一个新的对象，而不是直接改变String、Integer对象本身。
4、Monitor概念
Java 对象头
以 32 位虚拟机为例,普通对象的对象头结构如下，其中的Klass Word为指针，指向对应的Class对象；
数组对象
其中 Mark Word 结构为
所以一个对象的结构如下：
Monitor 原理
Monitor被翻译为监视器或者说管程
每个java对象都可以关联一个Monitor，如果使用synchronized给对象上锁（重量级），该对象头的Mark Word中就被设置为指向Monitor对象的指针
- 刚开始时Monitor中的Owner为null
- 当Thread-2 执行synchronized(obj){}代码时就会将Monitor的所有者Owner 设置为 Thread-2，上锁成功，Monitor中同一时刻只能有一个Owner
- 当Thread-2 占据锁时，如果线程Thread-3，Thread-4也来执行synchronized(obj){}代码，就会进入EntryList中变成BLOCKED状态
- 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
-
当线程执行到临界区代码时，如果使用了synchronized，会先查询synchronized中所指定的对象(obj)是否绑定了Monitor。
-
如果没有绑定，则会先去去与Monitor绑定，并且将Owner设为当前线程。
-
如果
已经绑定
，则会去查询该Monitor是否已经有了Owner
- 如果没有，则Owner与将当前线程绑定
- 如果有，则放入EntryList，进入阻塞状态(blocked)
-
-
当Monitor的Owner将临界区中代码执行完毕后，Owner便会被清空，此时EntryList中处于阻塞状态的线程会被叫醒并竞争，此时的竞争是非公平的
-
注意：
- 对象在使用了synchronized后与Monitor绑定时，会将对象头中的Mark Word置为Monitor指针。
- 每个对象都会绑定一个唯一的Monitor，如果synchronized中所指定的对象(obj)不同，则会绑定不同的Monitor
5. synchronized原理
代码如下 Test17.java
static final Object lock=new Object();
static int counter = 0;
public static void main(String[] args) {
synchronized (lock) {
counter++;
}
}
反编译后的部分字节码
0 getstatic #2
# 取得lock的引用（synchronized开始了）
3 dup
# 复制操作数栈栈顶的值放入栈顶，即复制了一份lock的引用
4 astore_1
# 操作数栈栈顶的值弹出，即将lock的引用存到局部变量表中
5 monitorenter
# 将lock对象的Mark Word置为指向Monitor指针
6 getstatic #3
9 iconst_1
# 准备常数1
10 iadd
11 putstatic #3
# ->i
14 aload_1
# 从局部变量表中取得lock的引用，放入操作数栈栈顶
15 monitorexit
# 将lock对象的Mark Word重置，唤醒EntryList
16 goto 24 (+8)
# 下面是异常处理指令，可以看到，如果出现异常，也能自动地释放锁
19 astore_2
20 aload_1
21 monitorexit
22 aload_2
23 athrow
24 return
注意：方法级别的 synchronized 不会在字节码指令中有所体现
monitor是由操作系统提供的,所以耗费挺大的
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
synchronized 原理进阶
1.轻量级锁
轻量级锁的使用场景是：如果一个对象虽然有多个线程要对它进行加锁，但是加锁的时间是错开的（也就是没有人可以竞争的），那么可以使用轻量级锁来进行优化。轻量级锁对使用者是透明的，即语法仍然是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
}
}
-
每次指向到synchronized代码块时，都会创建锁记录（Lock Record）对象，每个线程都会包括一个锁记录的结构，锁记录内部可以储存对象的Mark Word和对象引用reference
-
让锁记录中的Object reference指向对象，并且尝试用cas(compare and sweep)替换Object对象的Mark Word ，将Mark Word 的值存入锁记录中
-
如果cas替换成功，那么对象的对象头储存的就是锁记录的地址和状态00，如下所示
-
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，那么表示有竞争，将进入锁膨胀阶段
-
如果是自己的线程已经执行了synchronized进行加锁，那么那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数
-
-
当线程退出synchronized代码块的时候，
如果获取的是取值为 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
-
当线程退出synchronized代码块的时候，如果获取的锁记录取值不为 null，那么使用cas将Mark Word的值恢复给对象
- 成功则解锁成功
- 失败，则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
2.锁膨胀
如果在尝试加轻量级锁的过程中，cas操作无法成功，这是有一种情况就是其它线程已经为这个对象加上了轻量级锁，这是就要进行锁膨胀，将轻量级锁变成重量级锁。
-
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 变成BLOCKED状态
- 当Thread-0 推出synchronized同步块时，使用cas将Mark Word的值恢复给对象头，失败，那么会进入重量级锁的解锁过程，即按照Monitor的地址找到Monitor对象，将Owner设置为null，唤醒EntryList 中的Thread-1线程
3.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（即在自旋的时候持锁的线程释放了锁），那么当前线程就可以不用进行上下文切换就获得了锁
-
自旋重试成功的情况
-
自旋重试失败的情况，自旋了一定次数还是没有等到持锁的线程释放锁
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
4.偏向锁
在轻量级的锁中，我们可以发现，如果同一个线程对同一个2对象进行重入锁时，也需要执行CAS操作(把对象头换为自己的锁记录)，这是有点耗时滴，那么java6开始引入了偏向锁的东东，只有第一次使用CAS时将对象的Mark Word头设置为入锁线程ID，之后这个入锁线程再进行重入锁时，发现线程ID是自己的，那么就不用再进行CAS了
偏向状态
第一行那个表示是否启用了偏向锁
一个对象的创建过程
- 如果开启了偏向锁（默认是开启的），那么对象刚创建之后，Mark Word 最后三位的值101，并且这是它的Thread，epoch，age都是0，在加锁的时候进行设置这些的值.
- 偏向锁默认是延迟的，不会在程序启动的时候立刻生效，如果想避免延迟，可以添加虚拟机参数来禁用延迟：-
XX:BiasedLockingStartupDelay=0来禁用延迟 - 注意：处于偏向锁的对象解锁后，线程 id 仍存储于对象头中
初始情况 前面全为0 后面是101
这里上锁后对象头信息变为锁记录
释放锁后对象头信息还是不变,只有其他线程获得这个锁才会变
-
实验Test18.java，加上虚拟机参数-XX:BiasedLockingStartupDelay=0进行测试
-
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Test1 t = new Test1(); test.parseObjectHeader(getObjectHeader(t))； synchronized (t){ test.parseObjectHeader(getObjectHeader(t)); } test.parseObjectHeader(getObjectHeader(t)); }- 输出结果如下，三次输出的状态码都为101
biasedLockFlag (1bit): 1 LockFlag (2bit): 01 biasedLockFlag (1bit): 1 LockFlag (2bit): 01 biasedLockFlag (1bit): 1 LockFlag (2bit): 01
-
测试禁用：如果没有开启偏向锁，那么对象创建后最后三位的值为001，这时候它的hashcode，age都为0，hashcode是第一次用到hashcode时才赋值的。在上面测试代码运行时在添加 VM 参数-XX:-UseBiasedLocking禁用偏向锁（禁用偏向锁则优先使用轻量级锁），退出synchronized状态变回001
-
测试代码Test18.java 虚拟机参数
-XX:-UseBiasedLocking -
输出结果如下，最开始状态为001，然后加轻量级锁变成00，最后恢复成001
biasedLockFlag (1bit): 0 LockFlag (2bit): 01 LockFlag (2bit): 00 biasedLockFlag (1bit): 0 LockFlag (2bit): 01
撤销偏向锁-hashcode方法
测试 hashCode：当调用对象的hashcode方法的时候就会撤销这个对象的偏向锁(线程ID啊什么的)，因为使用偏向锁时没有位置存hashcode的值了
而轻量级锁的hash码存在线程栈帧的锁记录里面,重量级锁的hash码会存在monitor对象,最后还会换元回来
-
测试代码如下，使用虚拟机参数
-XX:BiasedLockingStartupDelay=0，确保我们的程序最开始使用了偏向锁！但是结果显示程序还是使用了轻量级锁。 Test20.java
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Test1 t = new Test1(); t.hashCode(); test.parseObjectHeader(getObjectHeader(t)); synchronized (t){ test.parseObjectHeader(getObjectHeader(t)); } test.parseObjectHeader(getObjectHeader(t)); } -
输出结果
biasedLockFlag (1bit): 0 LockFlag (2bit): 01 LockFlag (2bit): 00 biasedLockFlag (1bit): 0 LockFlag (2bit): 01
撤销偏向锁-其它线程使用对象
这里我们演示的是偏向锁撤销变成轻量级锁的过程，那么就得满足轻量级锁的使用条件，就是没有线程对同一个对象进行锁竞争，我们使用wait 和 notify 来辅助实现
-
代码 Test19.java，虚拟机参数
-XX:BiasedLockingStartupDelay=0确保我们的程序最开始使用了偏向锁！ -
输出结果，最开始使用的是偏向锁，但是第二个线程尝试获取对象锁时，发现本来对象偏向的是线程一，那么偏向锁就会失效，加的就是轻量级锁
biasedLockFlag (1bit): 1 LockFlag (2bit): 01 biasedLockFlag (1bit): 1 LockFlag (2bit): 01 biasedLockFlag (1bit): 1 LockFlag (2bit): 01 biasedLockFlag (1bit): 1 LockFlag (2bit): 01 LockFlag (2bit): 00 biasedLockFlag (1bit): 0 LockFlag (2bit): 01
撤销 - 调用 wait/notify
会使对象的锁变成重量级锁，因为wait/notify方法之后重量级锁才支持
批量重偏向
如果对象被多个线程访问，但是没有竞争，这时候偏向了线程一的对象又有机会重新偏向线程二，即可以不用升级为轻量级锁，可这和我们之前做的实验矛盾了呀，其实要实现重新偏向是要有条件的：就是超过20对象对同一个线程如线程一撤销偏向时，那么第20个及以后的对象才可以将撤销对线程一的偏向这个动作变为将第20个及以后的对象偏向线程二。
5)批量重偏向
- 如果对象虽然被多个线程访问，但是线程间不存在竞争，这时偏向T1的对象仍有机会重新偏向T2
- 重偏向会重置Thread ID
- 当撤销超过20次后（超过阈值），JVM会觉得是不是偏向错了，这时会在给对象加锁时，重新偏向至加锁线程。
批量撤销
当撤销偏向锁的阈值超过40以后，就会将整个类的对象都改为不可偏向的
package cn.itcast.test;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;
import java.util.Vector;
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;
@Slf4j(topic = "c.TestBiased")
public class TestBiased {
static Thread t1,t2,t3;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
test4();
}
private static void test4() throws InterruptedException {
Vector<Dog> list = new Vector<>();
int loopNumber = 38;
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));
}
}
class Dog {
}
6. 锁优化
6、Wait/Notify
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
(1)原理
-
锁对象调用wait方法（obj.wait），就会使当前线程进入WaitSet中，变为WAITING状态。
-
处于BLOCKED和WAITING状态的线程都为
阻塞
状态，CPU都不会分给他们时间片。但是有所区别：
- BLOCKED状态的线程是在竞争对象时，发现Monitor的Owner已经是别的线程了，此时就会进入EntryList中，并处于BLOCKED状态
- WAITING状态的线程是获得了对象的锁，但是自身因为某些原因需要进入阻塞状态时，锁对象调用了wait方法而进入了WaitSet中，处于WAITING状态
-
BLOCKED状态的线程会在锁被释放的时候被唤醒，但是处于WAITING状态的线程只有被锁对象调用了notify方法(obj.notify/obj.notifyAll)，才会被唤醒。
注：只有当对象被锁以后，才能调用wait和notify方法
public class Test1 {
final static Object LOCK = new Object();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//只有在对象被锁住后才能调用wait方法
synchronized (LOCK) {
LOCK.wait();
}
}
}Copy
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
(2)Wait与Sleep的区别
不同点
- Sleep是Thread类的静态方法，Wait是Object的方法，Object又是所有类的父类，所以所有类都有Wait方法。
- Sleep在阻塞的时候不会释放锁，而Wait在阻塞的时候会释放锁
- Sleep不需要与synchronized一起使用，而Wait需要与synchronized一起使用（对象被锁以后才能使用）
相同点
- 阻塞状态都为TIMED_WAITING
(3)优雅地使用wait/notify
什么时候适合使用wait
- 当线程不满足某些条件，需要暂停运行时，可以使用wait。这样会将对象的锁释放，让其他线程能够继续运行。如果此时使用sleep，会导致所有线程都进入阻塞，导致所有线程都没法运行，直到当前线程sleep结束后，运行完毕，才能得到执行。
使用wait/notify需要注意什么
- 当有多个线程在运行时，对象调用了wait方法，此时这些线程都会进入WaitSet中等待。如果这时使用了notify方法，可能会造成虚假唤醒（唤醒的不是满足条件的等待线程），这时就需要使用notifyAll方法
synchronized (LOCK) {
while(//不满足条件，一直等待，避免虚假唤醒) {
LOCK.wait();
}
//满足条件后再运行
}
synchronized (LOCK) {
//唤醒所有等待线程
LOCK.notifyAll();
}
然后其他线程用while
7、模式之保护性暂停
(1)定义
(2)举例
public class Test2 {
public static void main(String[] args) {
String hello = "hello thread!";
Guarded guarded = new Guarded();
new Thread(()->{
System.out.println("想要得到结果");
synchronized (guarded) {
System.out.println("结果是："+guarded.getResponse());
}
System.out.println("得到结果");
}).start();
new Thread(()->{
System.out.println("设置结果");
synchronized (guarded) {
guarded.setResponse(hello);
}
}).start();
}
}
class Guarded {
/**
* 要返回的结果
*/
private Object response;
//优雅地使用wait/notify
public Object getResponse() {
//如果返回结果为空就一直等待，避免虚假唤醒
while(response == null) {
synchronized (this) {
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
return response;
}
public void setResponse(Object response) {
this.response = response;
synchronized (this) {
//唤醒休眠的线程
this.notifyAll();
}
}
@Override
public String toString() {
return "Guarded{" +
"response=" + response +
'}';
}
}Copy
带超时判断的暂停
public Object getResponse(long time) {
synchronized (this) {
//获取开始时间
long currentTime = System.currentTimeMillis();
//用于保存已经等待了的时间
long passedTime = 0;
while(response == null) {
//看经过的时间-开始时间是否超过了指定时间
long waitTime = time -passedTime;
if(waitTime <= 0) {
break;
}
try {
//等待剩余时间
this.wait(waitTime);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
//获取当前时间
passedTime = System.currentTimeMillis()-currentTime
}
}
return response;
}Copy
(3)join源码——使用保护性暂停模式
public final synchronized void join(long millis)
throws InterruptedException {
long base = System.currentTimeMillis();
long now = 0;
if (millis < 0) {
throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
}
if (millis == 0) {
while (isAlive()) {
wait(0); //一直等待
}
} else {
while (isAlive()) {
long delay = millis - now;
if (delay <= 0) {
break;
}
wait(delay);
now = System.currentTimeMillis() - base;
}
}
}
wait（）：注意，前述提及wait操作对象一定是持有锁的对象，而join方法在方法头中含有Syschronized关键字
拓展
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
邮递员和收信者就不需要互相传递GuardedObject对象
package cn.itcast.test;
import cn.itcast.n2.util.Sleeper;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.Hashtable;
import java.util.Map;
import java.util.Set;
@Slf4j(topic = "c.Test20")
public class Test20 {
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();
}
}
}
@Slf4j(topic = "c.People")
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);
}
}
@Slf4j(topic = "c.Postman")
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);
}
}
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();
}
}
// 增加超时效果
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();
}
}
}
异步模式之生产者消费者
-
与前面的保护性暂停中的GuardObjecl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
java之间线程进行通信,rabbitmq是进程之间进行通信
package cn.itcast.test;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.LinkedList;
import static cn.itcast.n2.util.Sleeper.sleep;
@Slf4j(topic = "c.Test21")
public class Test21 {
public static void main(String[] args) {
MessageQueue queue = new MessageQueue(2);
for (int i = 0; i < 3; i++) {
int id = i;
new Thread(() -> {
queue.put(new Message(id , "值"+id));
}, "生产者" + i).start();
}
new Thread(() -> {
while(true) {
sleep(1);
Message message = queue.take();
}
}, "消费者").start();
}
}
// 消息队列类 ， java 线程之间通信
@Slf4j(topic = "c.MessageQueue")
class MessageQueue {
// 消息的队列集合
private LinkedList<Message> list = new LinkedList<>();
// 队列容量
private int capcity;
public MessageQueue(int capcity) {
this.capcity = capcity;
}
// 获取消息
public Message take() {
// 检查队列是否为空
synchronized (list) {
while(list.isEmpty()) {
try {
log.debug("队列为空, 消费者线程等待");
list.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
// 从队列头部获取消息并返回
Message message = list.removeFirst();
log.debug("已消费消息 {}", message);
list.notifyAll();
return message;
}
}
// 存入消息
public void put(Message message) {
synchronized (list) {
// 检查对象是否已满
while(list.size() == capcity) {
try {
log.debug("队列已满, 生产者线程等待");
list.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
// 将消息加入队列尾部
list.addLast(message);
log.debug("已生产消息 {}", message);
list.notifyAll();
}
}
}
final class Message {
private int id;
private Object value;
public Message(int id, Object value) {
this.id = id;
this.value = value;
}
public int getId() {
return id;
}
public Object getValue() {
return value;
}
@Override
public String toString() {
return "Message{" +
"id=" + id +
", value=" + value +
'}';
}
}
8、park/unpark
(1)基本使用
park/unpark都是LockSupport类中的的方法
//暂停线程运行
LockSupport.park;
//恢复线程运行
LockSupport.unpark(thread);Copy
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread thread = new Thread(()-> {
System.out.println("park");
//暂停线程运行
LockSupport.park();
System.out.println("resume");
}, "t1");
thread.start();
Thread.sleep(1000);
System.out.println("unpark");
//恢复线程运行
LockSupport.unpark(thread);
}
主线程可以先进行unpark ,
(2)特点
与wait/notify的区别
- wait，notify 和 notifyAll 必须配合Object Monitor一起使用==(先获得锁)==，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
- park不会释放锁，而wait会释放锁
(3)原理
每个线程都有一个自己的Park对象，并且该对象**_counter, _cond,__mutex**组成
-
先调用park再调用unpark时
-
先调用park
- 线程运行时，会将Park对象中的**_counter的值设为0**；
- 调用park时，会先查看counter的值是否为0，如果为0，则将线程放入阻塞队列cond中
- 放入阻塞队列中后，会再次将counter设置为0
-
然后调用unpark
-
调用unpark方法后，会将counter的值设置为1
-
去唤醒阻塞队列cond中的线程
-
线程继续运行并将counter的值设为0
-
-
- 先调用unpark，再调用park
- 调用unpark
- 会将counter设置为1（运行时0）
- 调用park方法
- 查看counter是否为0
- 因为unpark已经把counter设置为1，所以此时将counter设置为0，但不放入阻塞队列cond中
- 调用unpark
9、线程中的状态转换
情况一：NEW –> RUNNABLE
- 当调用了t.start()方法时，由 NEW –> RUNNABLE
情况二： RUNNABLE <–> WAITING
- 当调用了t 线程用 synchronized(obj) 获取了对象锁后
- 调用 obj.wait() 方法时，t 线程从 RUNNABLE –> WAITING
- 调用 obj.notify() ， obj.notifyAll() ， t.interrupt() 时
- 竞争锁成功，t 线程从 WAITING –> RUNNABLE
- 竞争锁失败，t 线程从 WAITING –> BLOCKED
情况三：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
情况四： 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
情况五： RUNNABLE <–> TIMED_WAITING
t 线程用 synchronized(obj) 获取了对象锁后
- 调用 obj.wait(long n) 方法时，t 线程从 RUNNABLE –> TIMED_WAITING
- t 线程等待时间超过了 n 毫秒，或调用 obj.notify() ， obj.notifyAll() ， t.interrupt() 时
- 竞争锁成功，t 线程从 TIMED_WAITING –> RUNNABLE
- 竞争锁失败，t 线程从 TIMED_WAITING –> BLOCKED
情况六：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
情况七：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
情况八：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
情况九：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
情况十： RUNNABLE <–> TERMINATED
当前线程所有代码运行完毕，进入 TERMINATED
10、多把锁
将锁的粒度细分
class BigRoom {
//额外创建对象来作为锁
private final Object studyRoom = new Object();
private final Object bedRoom = new Object();
}
- 好处,可以增强并发度
- 坏处,如果一个线程需要获得多把锁,就容易发生死锁
11、活跃性
(1)定义
因为某种原因，使得代码一直无法执行完毕，这样的现象叫做活跃性
(2)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
如：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
public static void main(String[] args) {
final Object A = new Object();
final Object B = new Object();
new Thread(()->{
synchronized (A) {
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (B) {
}
}
}).start();
new Thread(()->{
synchronized (B) {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (A) {
}
}
}).start();
}Copy
发生死锁的必要条件
- 互斥条件
- 在一段时间内，一种资源只能被一个进程所使用
- 请求和保持条件
- 进程已经拥有了至少一种资源，同时又去申请其他资源。因为其他资源被别的进程所使用，该进程进入阻塞状态，并且不释放自己已有的资源
- 不可抢占条件
- 进程对已获得的资源在未使用完成前不能被强占，只能在进程使用完后自己释放
- 循环等待条件
- 发生死锁时，必然存在一个进程——资源的循环链。
定位死锁的方法
-
检测死锁可以使用jconsole工具
-
jps+jstack ThreadID
-
在JAVA控制台中的Terminal中输入jps指令可以查看运行中的线程ID，使用jstack ThreadID可以查看线程状态。
F:\Thread_study>jps 20672 RemoteMavenServer36 22880 Jps 4432 Launcher 5316 Test5 20184 KotlinCompileDaemon 11132 F:\Thread_study>jstack 5316Copy -
-
打印的结果
//找到一个java级别的死锁 Found one Java-level deadlock: ============================= "Thread-1": waiting to lock monitor 0x0000000017f40de8 (object 0x00000000d6188880, a java.lang.Object), which is held by "Thread-0" "Thread-0": waiting to lock monitor 0x0000000017f43678 (object 0x00000000d6188890, a java.lang.Object), which is held by "Thread-1"Copy -
jconsole检测死锁
哲学家就餐问题
避免死锁的方法
在线程使用锁对象时**，顺序加锁**即可避免死锁
(3)活锁
活锁出现在两个线程互相改变对方的结束条件，后谁也无法结束。
避免活锁的方法
在线程执行时，中途给予不同的间隔时间即可。
死锁与活锁的区别
- 死锁是因为线程互相持有对象想要的锁，并且都不释放，最后到时线程阻塞，停止运行的现象。
- 活锁是因为线程间修改了对方的结束条件，而导致代码一直在运行，却一直运行不完的现象。
(4)饥饿
某些线程因为优先级太低，导致一直无法获得资源的现象。
在使用顺序加锁时，可能会出现饥饿现象
12、ReentrantLock
和synchronized相比具有的的特点
- 可中断
- 可以设置超时时间
- 可以设置为公平锁 (先到先得防止饥饿)
- 支持多个条件变量( 具有多个waitset)
和synchronized一样,都支持可重入自己加的锁下一次自己也可以直接进去
基本语法
//获取ReentrantLock对象
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
//加锁
lock.lock();
try {
//需要执行的代码
}finally {
//释放
lock.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();
}
}
结果:
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
三个被锁住的方法都可以运行
可打断
如果某个线程处于阻塞状态，可以调用其interrupt方法让其停止阻塞，获得锁失败
简而言之就是：处于阻塞状态的线程，被打断了就不用阻塞了，直接停止运行
public static void main(String[] args) {
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Thread t1 = new Thread(()-> {
try {
//加锁，可打断锁
//如果没有竞争那么此方法就会获取lock对象锁
//如果有竞争就进入阻塞队列,可以被其他线程用interrupt打断
lock.lockInterruptibly();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
//被打断，返回，不再向下执行
return;
}finally {
//释放锁
lock.unlock();
}
});
lock.lock();
try {
t1.start();
Thread.sleep(1000);
//打断
t1.interrupt();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
主要防止线程死等
锁超时
使用lock.tryLock方法会返回获取锁是否成功。如果成功则返回true，反之则返回false。
并且tryLock方法可以指定等待时间，参数为：tryLock(long timeout, TimeUnit unit), 其中timeout为最长等待时间，TimeUnit为时间单位
简而言之就是：获取失败了、获取超时了或者被打断了，不再阻塞，直接停止运行
不设置等待时间
public static void main(String[] args) {
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Thread t1 = new Thread(()-> {
//未设置等待时间，一旦获取失败，直接返回false
if(!lock.tryLock()) {
System.out.println("获取失败");
//获取失败，不再向下执行，返回
return;
}
System.out.println("得到了锁");
lock.unlock();
});
lock.lock();
try{
t1.start();
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
设置等待时间
public static void main(String[] args) {
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Thread t1 = new Thread(()-> {
try {
//判断获取锁是否成功，最多等待1秒
if(!lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {
System.out.println("获取失败");
//获取失败，不再向下执行，直接返回
return;
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
//被打断，不再向下执行，直接返回
return;
}
System.out.println("得到了锁");
//释放锁
lock.unlock();
});
lock.lock();
try{
t1.start();
//打断等待
t1.interrupt();
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}Copy
公平锁
在线程获取锁失败，进入阻塞队列时，先进入的会在锁被释放后先获得锁。这样的获取方式就是公平的。
//默认是不公平锁，需要在创建时指定为公平锁
ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
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
static Boolean judge = false;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
//获得条件变量
Condition condition = lock.newCondition();
new Thread(()->{
lock.lock();
try{
while(!judge) {
System.out.println("不满足条件，等待...");
//等待
condition.await();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
System.out.println("执行完毕！");
lock.unlock();
}
}).start();
new Thread(()->{
lock.lock();
try {
Thread.sleep(1);
judge = true;
//释放
condition.signal();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}).start();
}
通过Lock与AQS实现可重入锁
public class MyLock implements Lock {
private static class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {
@Override
protected boolean tryAcquire(int arg) {
if (getExclusiveOwnerThread() == null) {
if (compareAndSetState(0, 1)) {
setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
return true;
}
return false;
}
if (getExclusiveOwnerThread() == Thread.currentThread()) {
int state = getState();
compareAndSetState(state, state + 1);
return true;
}
return false;
}
@Override
protected boolean tryRelease(int arg) {
if (getState() <= 0) {
throw new IllegalMonitorStateException();
}
if (getExclusiveOwnerThread() != Thread.currentThread()) {
throw new IllegalMonitorStateException();
}
int state = getState();
if (state == 1) {
setExclusiveOwnerThread(null);
compareAndSetState(state, 0);
} else {
compareAndSetState(state, state - 1);
}
return true;
}
@Override
protected boolean isHeldExclusively() {
return getState() >= 1;
}
public Condition newCondition() {
return new ConditionObject();
}
}
Sync sync = new Sync();
@Override
public void lock() {
sync.acquire(1);
}
@Override
public void lockInterruptibly() throws InterruptedException {
sync.acquireInterruptibly(1);
}
@Override
public boolean tryLock() {
return sync.tryAcquire(1);
}
@Override
public boolean tryLock(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException {
return sync.tryAcquireNanos(1, time);
}
@Override
public void unlock() {
sync.release(1);
}
@Override
public Condition newCondition() {
return sync.newCondition();
}
}
class Main {
static int num = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException, IOException {
MyLock lock = new MyLock();
Object syncLock = new Object();
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
lock.lock();
try {
lock.lock();
try {
lock.lock();
try {
num++;
} finally {
lock.unlock();
}
} finally {
lock.unlock();
}
} finally {
lock.unlock();
}
}
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
lock.lock();
try {
lock.lock();
try {
lock.lock();
try {
num--;
} finally {
lock.unlock();
}
} finally {
lock.unlock();
}
} finally {
lock.unlock();
}
}
});
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
int x = 0;
}
}Copy
13、同步模式之顺序控制
Wait/Notify版本
static final Object LOCK = new Object();
//判断先执行的内容是否执行完毕
static Boolean judge = false;
public static void main(String[] args) {
new Thread(()->{
synchronized (LOCK) {
while (!judge) {
try {
LOCK.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println("2");
}
}).start();
new Thread(()->{
synchronized (LOCK) {
System.out.println("1");
judge = true;
//执行完毕，唤醒所有等待线程
LOCK.notifyAll();
}
}).start();
}Copy
使用park往背包放东西
交替输出
wait/notify版本
public class Test4 {
static Symbol symbol = new Symbol();
public static void main(String[] args) {
new Thread(()->{
symbol.run("a", 1, 2);
}).start();
new Thread(()->{
symbol.run("b", 2, 3);
}).start();
symbol.run("c", 3, 1);
new Thread(()->{
}).start();
}
}
class Symbol {
public synchronized void run(String str, int flag, int nextFlag) {
for(int i=0; i<loopNumber; i++) {
while(flag != this.flag) {
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println(str);
//设置下一个运行的线程标记
this.flag = nextFlag;
//唤醒所有线程
this.notifyAll();
}
}
/**
* 线程的执行标记， 1->a 2->b 3->c
*/
private int flag = 1;
private int loopNumber = 5;
public int getFlag() {
return flag;
}
public void setFlag(int flag) {
this.flag = flag;
}
public int getLoopNumber() {
return loopNumber;
}
public void setLoopNumber(int loopNumber) {
this.loopNumber = loopNumber;
}
}Copy
await/signal版本
public class Test5 {
static AwaitSignal awaitSignal = new AwaitSignal();
static Condition conditionA = awaitSignal.newCondition();
static Condition conditionB = awaitSignal.newCondition();
static Condition conditionC = awaitSignal.newCondition();
public static void main(String[] args) {
new Thread(()->{
awaitSignal.run("a", conditionA, conditionB);
}).start();
new Thread(()->{
awaitSignal.run("b", conditionB, conditionC);
}).start();
new Thread(()->{
awaitSignal.run("c", conditionC, conditionA);
}).start();
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
awaitSignal.lock();
try {
//唤醒一个等待的线程
conditionA.signal();
}finally {
awaitSignal.unlock();
}
}
}
class AwaitSignal extends ReentrantLock{
public void run(String str, Condition thisCondition, Condition nextCondition) {
for(int i=0; i<loopNumber; i++) {
lock();
try {
//全部进入等待状态
thisCondition.await();
System.out.print(str);
nextCondition.signal();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
unlock();
}
}
}
private int loopNumber=5;
public int getLoopNumber() {
return loopNumber;
}
public void setLoopNumber(int loopNumber) {
this.loopNumber = loopNumber;
}
}
14、ThreadLocal
简介
ThreadLocal是JDK包提供的，它提供了线程本地变量，也就是如果你创建了一个ThreadLocal变量，那么访问这个变量的每个线程都会有这个变量的一个本地副本。当多个线程操作这个变量时，实际操作的是自己本地内存里面的变量，从而避免了线程安全问题
使用
public class ThreadLocalStudy {
public static void main(String[] args) {
// 创建ThreadLocal变量
ThreadLocal stringThreadLocal = new ThreadLocal<>();
ThreadLocal userThreadLocal = new ThreadLocal<>();
// 创建两个线程，分别使用上面的两个ThreadLocal变量
Thread thread1 = new Thread(()->{
// stringThreadLocal第一次赋值
stringThreadLocal.set("thread1 stringThreadLocal first");
// stringThreadLocal第二次赋值
stringThreadLocal.set("thread1 stringThreadLocal second");
// userThreadLocal赋值
userThreadLocal.set(new User("Nyima", 20));
// 取值
System.out.println(stringThreadLocal.get());
System.out.println(userThreadLocal.get());
// 移除
userThreadLocal.remove();
System.out.println(userThreadLocal.get());
});
Thread thread2 = new Thread(()->{
// stringThreadLocal第一次赋值
stringThreadLocal.set("thread2 stringThreadLocal first");
// stringThreadLocal第二次赋值
stringThreadLocal.set("thread2 stringThreadLocal second");
// userThreadLocal赋值
userThreadLocal.set(new User("Hulu", 20));
// 取值
System.out.println(stringThreadLocal.get());
System.out.println(userThreadLocal.get());
});
// 启动线程
thread1.start();
thread2.start();
}
}
class User {
String name;
int age;
public User(String name, int age) {
this.name = name;
this.age = age;
}
@Override
public String toString() {
return "User{" +
"name='" + name + '\'' +
", age=" + age +
'}';
}
}Copy
运行结果
thread1 stringThreadLocal second
thread2 stringThreadLocal second
User{name='Nyima', age=20}
User{name='Hulu', age=20}
nullCopy
从运行结果可以看出
- 每个线程中的ThreadLocal变量是每个线程私有的，而不是共享的
- 从线程1和线程2的打印结果可以看出
- ThreadLocal其实就相当于其泛型类型的一个变量，只不过是每个线程私有的
- stringThreadLocal被赋值了两次，保存的是最后一次赋值的结果
- ThreadLocal可以进行以下几个操作
- set 设置值
- get 取出值
- remove 移除值
原理
Thread中的threadLocals
public class Thread implements Runnable {
...
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
// 放在后面说
ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;
...
}Copy
static class ThreadLocalMap {
static class Entry extends WeakReference> {
/** The value associated with this ThreadLocal. */
Object value;
Entry(ThreadLocal k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}Copy
可以看出Thread类中有一个threadLocals和一个inheritableThreadLocals，它们都是ThreadLocalMap类型的变量，而ThreadLocalMap是一个定制化的Hashmap。在默认情况下，每个线程中的这两个变量都为null。此处先讨论threadLocals，inheritableThreadLocals放在后面讨论
ThreadLocal中的方法
set方法
public void set(T value) {
// 获取当前线程
Thread t = Thread.currentThread();
// 获得ThreadLocalMap对象
// 这里的get会返回Thread类中的threadLocals
ThreadLocalMap map = getMap(t);
// 判断map是否已经创建，没创建就创建并放入值，创建了就直接放入
if (map != null)
// ThreadLocal自生的引用作为key，传入的值作为value
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
}Copy
如果未创建
void createMap(Thread t, T firstValue) {
// 创建的同时设置想放入的值
// hreadLocal自生的引用作为key，传入的值作为value
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}Copy
get方法
public T get() {
// 获取当前线程
Thread t = Thread.currentThread();
// 获取当前线程的threadLocals变量
ThreadLocalMap map = getMap(t);
// 判断threadLocals是否被初始化了
if (map != null) {
// 已经初始化则直接返回
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
T result = (T)e.value;
return result;
}
}
// 否则就创建threadLocals
return setInitialValue();
}Copy
private T setInitialValue() {
// 这个方法返回是null
T value = initialValue();
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
// 无论map创建与否，最终value的值都为null
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
return value;
}Copy
protected T initialValue() {
return null;
}Copy
remove方法
public void remove() {
ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
if (m != null)
// 如果threadLocals已经被初始化，则移除
m.remove(this);
}Copy
总结
在每个线程内部都有一个名为threadLocals的成员变量，该变量的类型为HashMap，其中key为我们定义的ThreadLocal变量的this引用，value则为我们使用set方法设置的值。每个线程的本地变量存放在线程自己的内存变量threadLocals中
只有当前线程第一次调用ThreadLocal的set或者get方法时才会创建threadLocals（inheritableThreadLocals也是一样）。其实每个线程的本地变量不是存放在ThreadLocal实例里面，而是存放在调用线程的threadLocals变量里面
15、InheritableThreadLocal
简介
从ThreadLocal的源码可以看出，无论是set、get、还是remove，都是相对于当前线程操作的
Thread.currentThread()Copy
所以ThreadLocal无法从父线程传向子线程，所以InheritableThreadLocal出现了，它能够让父线程中ThreadLocal的值传给子线程。
也就是从main所在的线程，传给thread1或thread2
使用
public class Demo1 {
public static void main(String[] args) {
ThreadLocal stringThreadLocal = new ThreadLocal<>();
InheritableThreadLocal stringInheritable = new InheritableThreadLocal<>();
// 主线程赋对上面两个变量进行赋值
stringThreadLocal.set("this is threadLocal");
stringInheritable.set("this is inheritableThreadLocal");
// 创建线程
Thread thread1 = new Thread(()->{
// 获得ThreadLocal中存放的值
System.out.println(stringThreadLocal.get());
// 获得InheritableThreadLocal存放的值
System.out.println(stringInheritable.get());
});
thread1.start();
}
}Copy
运行结果
null
this is inheritableThreadLocalCopy
可以看出InheritableThreadLocal的值成功从主线程传入了子线程，而ThreadLocal则没有
原理
InheritableThreadLocal
public class InheritableThreadLocal extends ThreadLocal {
// 传入父线程中的一个值，然后直接返回
protected T childValue(T parentValue) {
return parentValue;
}
// 返回传入线程的inheritableThreadLocals
// Thread中有一个inheritableThreadLocals变量
// ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;
ThreadLocalMap getMap(Thread t) {
return t.inheritableThreadLocals;
}
// 创建一个inheritableThreadLocals
void createMap(Thread t, T firstValue) {
t.inheritableThreadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
}Copy
由如上代码可知，InheritableThreadLocal继承了ThreadLocal，并重写了三个方法。InheritableThreadLocal重写了createMap方法，那么现在当第一次调用set方法时，创建的是当前线程的inheritableThreadLocals变量的实例而不再是threadLocals。当调用getMap方法获取当前线程内部的map变量时，获取的是inheritableThreadLocals而不再是threadLocals
childValue(T parentValue)方法的调用
在主函数运行时，会调用Thread的默认构造函数（创建主线程，也就是父线程），所以我们先看看Thread的默认构造函数
public Thread() {
init(null, null, "Thread-" + nextThreadNum(), 0);
}Copy
private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
long stackSize, AccessControlContext acc,
boolean inheritThreadLocals) {
...
// 获得当前线程的，在这里是主线程
Thread parent = currentThread();
...
// 如果父线程的inheritableThreadLocals存在
// 我们在主线程中调用set和get时，会创建inheritableThreadLocals
if (inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null)
// 设置子线程的inheritableThreadLocals
this.inheritableThreadLocals =
ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);
/* Stash the specified stack size in case the VM cares */
this.stackSize = stackSize;
/* Set thread ID */
tid = nextThreadID();
}Copy
static ThreadLocalMap createInheritedMap(ThreadLocalMap parentMap) {
return new ThreadLocalMap(parentMap);
}Copy
在createInheritedMap内部使用父线程的inheritableThreadLocals变量作为构造函数创建了一个新的ThreadLocalMap变量，然后赋值给了子线程的inheritableThreadLocals变量
private ThreadLocalMap(ThreadLocalMap parentMap) {
Entry[] parentTable = parentMap.table;
int len = parentTable.length;
setThreshold(len);
table = new Entry[len];
for (int j = 0; j < len; j++) {
Entry e = parentTable[j];
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
ThreadLocal在该构造函数内部把父线程的inheritableThreadLocals成员变量的值复制到新的ThreadLocalMap对象中
总结
InheritableThreadLocal类通过重写getMap和createMap，让本地变量保存到了具体线程的inheritableThreadLocals变量里面，那么线程在通过InheritableThreadLocal类实例的set或者get方法设置变量时，就会创建当前线程的inheritableThreadLocals变量。
当父线程创建子线程时，构造函数会把父线程中inheritableThreadLocals变量里面的本地变量复制一份保存到子线程的inheritableThreadLocals变量里面。
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
`
public Thread() {
init(null, null, “Thread-” + nextThreadNum(), 0);
}Copy
private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
long stackSize, AccessControlContext acc,
boolean inheritThreadLocals) {
…
// 获得当前线程的，在这里是主线程
Thread parent = currentThread();
...
// 如果父线程的inheritableThreadLocals存在
// 我们在主线程中调用set和get时，会创建inheritableThreadLocals
if (inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null)
// 设置子线程的inheritableThreadLocals
this.inheritableThreadLocals =
ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);
/* Stash the specified stack size in case the VM cares */
this.stackSize = stackSize;
/* Set thread ID */
tid = nextThreadID();
}Copy
static ThreadLocalMap createInheritedMap(ThreadLocalMap parentMap) {
return new ThreadLocalMap(parentMap);
}Copy
在createInheritedMap内部使用父线程的inheritableThreadLocals变量作为构造函数创建了一个新的ThreadLocalMap变量，然后赋值给了子线程的inheritableThreadLocals变量
private ThreadLocalMap(ThreadLocalMap parentMap) {
Entry[] parentTable = parentMap.table;
int len = parentTable.length;
setThreshold(len);
table = new Entry[len];
for (int j = 0; j < len; j++) {
Entry e = parentTable[j];
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
ThreadLocal}Copy
在该构造函数内部把父线程的inheritableThreadLocals成员变量的值复制到新的ThreadLocalMap对象中
#### 总结
InheritableThreadLocal类通过重写getMap和createMap，让本地变量保存到了具体线程的inheritableThreadLocals变量里面，那么线程在通过InheritableThreadLocal类实例的set或者get方法设置变量时，就会创建当前线程的inheritableThreadLocals变量。
**当父线程创建子线程时，构造函数会把父线程中inheritableThreadLocals变量里面的本地变量复制一份保存到子线程的inheritableThreadLocals变量里面。**
# 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