《Java 并发编程》共享模型之管程
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《Java 并发编程》共享模型之管程
- 1. 共享带来的问题
-
- 1.1 临界区
- 1.2 竞态条件
- 2. synchronized 解决方案
-
- 2.1 synchronized 语法
- 2.2 synchronized 加在方法上
- 3. 变量的线程安全分析
- 4. Monitor 概念
- 5. synchronized 原理进阶
-
- 5.1 轻量级锁（用于优化 Monitor 这类的重量级锁）
- 5.2 锁膨胀
- 5.3 自旋优化
- 5.4 偏向锁(用于优化轻量级锁重入)
- 5.5 批量重偏向
- 5.6 批量撤销
- 6. wait/notify
-
- 6.1 原理
- 6.2 使用 wait/notify 的正确姿势
- 7. 模式之保护性暂停
- 8. park & unpark
-
- 8.1 基本使用
- 8.2 特点
- 8.3 原理
- 9. 线程状态转换
- 10. 多把锁
- 11. 活跃性
-
- 11.1 死锁
- 11.2 活锁
- 11.3 饥饿
- 12. 可重入锁
- 13. 同步模式之顺序控制
- 14. ThreadLocal
1. 共享带来的问题
1.1 临界区
- 一个程序运行多个线程本身没有问题
- 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 - 一段代码内如果存在对共享资源的多线程读写操作，称这块代码块为临界区
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
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
为了避免临界区的竞态条件发生，有多种手段可以达到目的。
- 阻塞式的解决方案：synchronized、lock
- 非阻塞式的解决方案：原子变量
这里使用阻塞式的解决方案：synchronized 来解决上述问题，即俗称的【对象锁】，它采用互斥的方式让同一时刻最多只有一个线程能持有【对象锁】，其他线程再想获取这个【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，不用担心上下文切换。
值得注意的是，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他线程运行到某个点
2.1 synchronized 语法
synchronized(对象) { //线程1，线程2（blocked）
临界区
}
案例代码
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);
}
可以做这样的类比：
- synchronized 中的对象，可以想象为一个房间，有唯一入口房间只能一次进入一个人进行计算，线程 t1 和 t2 想象成两个人
- 当线程 t1 执行到 synchronized 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 counter++
- 这时如果 t2 也运行到了 synchronized 时，它发现门锁住了，只能在门外等待，发生了线程上下文切换，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，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 counter-- 代码
2.2 synchronized 加在方法上
- 加在成员方法上
public class Test {
//在方法上加上synchronized关键字
public synchronized void test() {
}
//等价于
public void test() {
synchronized(this) {
}
}
}
- 加在静态方法上
public class Test {
//在静态方法上加上synchronized关键字
public synchronized static void test() {
}
//等价于
public void test() {
synchronized(Test.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，又分为两种情况
（1）如果只有读操作，则线程安全
（2）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线程安全
(1) 如果该对象没有逃离方法的作用访问，它是线程安全的
(2) 如果该对象逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全
局部变量线程安全性分析
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，是线程安全的。
然而，局部变量的引用却有所不同，先看一个成员变量的例子
public class ThreadUnsafe {
static final int THREAD_NUMBER = 2;
static final int LOOP_NUMBER = 200;
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();
//}
}
}
private void method2() {
list.add("1");
}
private void method3() {
list.remove(0);
}
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();
}
}
}
运行之后，可能有一种情况，method2 还未 add，method3 便开始 remove 就会报错：
Exception in thread "Thread0" Exception in thread "Thread1" java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: -1
at java.util.ArrayList.remove(ArrayList.java:507)
at com.czh.concurrent.ThreadUnsafe.method3(ThreadUnsafe.java:26)
at com.czh.concurrent.ThreadUnsafe.method1(ThreadUnsafe.java:18)
at com.czh.concurrent.ThreadUnsafe.lambda$main$0(ThreadUnsafe.java:33)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException: -1
at java.util.ArrayList.add(ArrayList.java:465)
at com.czh.concurrent.ThreadUnsafe.method2(ThreadUnsafe.java:23)
at com.czh.concurrent.ThreadUnsafe.method1(ThreadUnsafe.java:17)
at com.czh.concurrent.ThreadUnsafe.lambda$main$0(ThreadUnsafe.java:33)
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
public class ThreadUnsafe {
static final int THREAD_NUMBER = 2;
static final int LOOP_NUMBER = 200;
public final void method1(int loopNumber) {
ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
//{临界区，会产生竞态条件
method2(list);
method3(list);
//}
}
}
private void method2(ArrayList<String> list) {
list.add("1");
}
private void method3(ArrayList<String> list) {
list.remove(0);
}
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();
}
}
}
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？
- 情况1：有其他线程调用 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
public class ThreadUnsafe {
static final int THREAD_NUMBER = 2;
static final int LOOP_NUMBER = 200;
public final void method1(int loopNumber) {
ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
//{临界区，会产生竞态条件
method2(list);
method3(list);
//}
}
}
private void method2(ArrayList<String> list) {
list.add("1");
}
public void method3(ArrayList<String> list) {
list.remove(0);
}
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();
}
}
}
class ThreadSafeSubClass extends ThreadUnsafe {
@Override
public void method3(ArrayList<String> list) {
new Thread(()->{
list.remove(0);
});
}
}
从这个例子可以看出 private 或 final 提供【安全】的意义所在，体会开闭原则中的【闭】。
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
这里的线程安全是指，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
- 但是它们多个方法的组合不是原子的，可能会出现线程安全问题
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
- String 有 replace，substring 等方法【可以】改变值，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
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
(1) 如果没有，则将 Owner 与将当前线程绑定
(2) 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 Monitor 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 原理进阶
Java 对象头格式
64 位虚拟机 Mark Word 结构如下：
5.1 轻量级锁（用于优化 Monitor 这类的重量级锁）
轻量级锁使用场景：当一个对象被多个线程所访问，但访问的时间是错开的（不存在竞争），此时就可以使用轻量级锁来优化。
-
创建锁记录（Lock Record）对象，每个线程的栈帧都会包含一个锁记录对象，内部可以存储锁定对象的 mark word（不在一开始就使用 Monitor）
-
让锁记录中的 Object Reference 指向锁对象（Object），并尝试用 CAS 去替换 Object 中的mark word，将此 mark word 放入 lock record 中保存
-
如果 CAS 替换成功，则将 Object 的对象头替换为锁记录的地址和状态 00（轻量级锁状态），并由该线程给对象加锁
5.2 锁膨胀
- 如果一个线程在给一个对象加轻量级锁时，CAS 替换操作失败（因为此时其他线程已经给对象加了轻量级锁），此时该线程就会进入锁膨胀过程
- 此时便会给对象加上重量级锁（使用 Monitor）
将对象头的 Mark Word 改为 Monitor 的地址，并且状态改为 01 (重量级锁)
并且该线程放入 EntryList 中，并进入阻塞状态 (blocked)
5.3 自旋优化
重量级锁竞争时，还可以使用自旋来优化，如果当前线程在自旋成功（使用锁的线程退出了同步块，释放了锁），这时就可以避免线程进入阻塞状态。
- 第一种情况
- 第二种情况
5.4 偏向锁(用于优化轻量级锁重入)
轻量级锁在没有竞争时，每次重入（该线程执行的方法中再次锁住该对象）操作仍需要 CAS 替换操作，这样会导致性能降低。
所以引入了偏向锁对性能进行优化：在第一次 CAS 时会将线程的 ID 写入对象的 Mark Word中。此后发现这个线程 ID 就是自己的，就表示没有竞争，就不需要再次 CAS ，以后只要不发生竞争，这个对象就归该线程所有。
偏向状态
- Normal：一般状态，没有加任何锁，前面 62 位保存的是对象的信息，最后 2 位为状态（01），倒数第 3 位表示是否使用偏向锁（未使用：0）
- Biased：偏向状态，使用偏向锁，前面 54 位保存的当前线程的 ID，最后 2 位为状态（01），倒数第 3 位表示是否使用偏向锁（使用：1）
- Lightweight：使用轻量级锁，前 62 位保存的是锁记录的指针，最后两位为状态（00）
- Heavyweight：使用重量级锁，前 62 位保存的是 Monitor 的地址指针，后两位为状态(10)
- 如果开启了偏向锁（默认开启），在创建对象时，对象的 Mark Word 后三位应该是 101
- 但是偏向锁默认是有延迟的，不会在程序一启动就生效，而是会在程序运行一段时间（几秒之后），才会对创建的对象设置为偏向状态
- 如果没有开启偏向锁，对象的 Mark Word 后三位应该是 001
以下几种情况会使对象的偏向锁失效
- 调用对象的 hashCode 方法
- 多个线程使用该对象
- 调用了 wait/notify 方法（调用 wait 方法会导致锁膨胀而使用重量级锁）
5.5 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
5.6 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
6. wait/notify
6.1 原理
- 锁对象调用 wait 方法（obj.wait），会释放对象的锁，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
然而，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
wait 和 notify 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，示例代码如下：
public class Test {
final static Object obj = new Object();
public static void main(String[] args) {
new Thread(()->{
synchronized (obj) {
System.out.println("执行...");
try {
obj.wait(); //让线程在obj上一直等待下去
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println("其他代码...");
}).start();
new Thread(()->{
synchronized (obj) {
System.out.println("执行...");
try {
obj.wait(); //让线程在obj上一直等待下去
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("其他代码...");
}
}).start();
//主线程两秒后执行
sleep(2);
System.out.println("唤醒 obj 上其他线程");
synchronized (obj) {
obj.notify(); //唤醒obj上一个线程
//obj.notifyAll(); //唤醒obj上所有等待线程
}
}
}
6.2 使用 wait/notify 的正确姿势
wait 和 sleep 的区别：
- 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（睡眠）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）
wait 与 sleep 的相同点：
- 阻塞状态都为 TIMED_WAITING
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 的注意点
- 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();
}
7. 模式之保护性暂停
定义
保护性暂停（Guarded Suspension）用在一个线程等待另一个线程的执行结果。
要点：
- 有一个结果需要从一个线程传递到另一个线程，让它们关联同一个 Guarded Object
- 如果有结果不断从一个线程到另一个线程那么可以使用消息队列（见生产者-消费者）
- JDK 中，join 的实现、Future 的实现，采用的就是 Guarded Suspension 模式
- 因为要等待另一方的结果，因此归类到同步模式
案例代码如下
public class Test {
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 +
'}';
}
}
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;
}
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);
}
} else {
while (isAlive()) {
long delay = millis - now;
if (delay <= 0) {
break;
}
wait(delay);
now = System.currentTimeMillis() - base;
}
}
}
8. park & unpark
8.1 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);
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);
}
8.2 特点
与 Object 的 wait/notify 相比
- wait/notify 和 notifyAll 必须配合 Object Monitor 一起使用，而 park&unpark 不必
- park&unpark 是以线程为单位来【阻塞】和【唤醒】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
8.3 原理
每个线程都有一个自己的 park 对象，并且该对象由 _counter, _cond,__mutex 组成
情况 1：先调用 park，再调用 unpark
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
- 放入阻塞队列后，会再次将 counter 设置为 0
然后再调用 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
情况 2：先调用 unpark，再调用 park
先调用 unpark
- 会将 counter 设置为 1（运行时0）
再调用 park
- 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
9. 线程状态转换
假设有线程 Thread t
情况一：NEW --> RUNNABLE
- 当调用 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
（1）调用 obj.wait() 方法时，t 线程从 RUNNABLE –> WAITING
（2）调用 obj.notify() ，obj.notifyAll() ，t.interrupt() 时：如果竞争锁成功，t 线程从 WAITING –> RUNNABLE；如果竞争锁失败，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
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
（1）竞争锁成功，t 线程从 TIMED_WAITING –> RUNNABLE
（2）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
- 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
- 优点，可以增强并发度
- 缺点，如果一个线程需要同时获得多把锁，就容易发生死锁
11. 活跃性
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。
11.1 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：
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();
}
发生死锁的四个必要条件
- 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，或者使用 jps 定位进程 id，再用 jstack 定位死锁。
省略中间的一些信息，找到最后一段信息，末尾处出现 Found 1 deadlock
注意点：避免死锁要注意加锁顺序；另外如果由于某个线程进入了死循环，导致其它线程一直等待，对于这种情况 Linux 下可以通过 top 先定位到 CPU 占用高的 Java 进程，再利用 top -Hp 进程 id 来定位是哪个线程，最后再用 jstack 排查。
哲学家就餐问题
有 5 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() {
System.out.println("eating...");
this.right = right;
}
@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
}
}
}
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
11.2 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
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。
11.3 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. 可重入锁
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)
- 支持多个条件变量( 具有多个 waitset)
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 {
//释放锁
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
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
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();
}
}
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
- 归纳就是，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，立刻失败
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();
}
}
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 waitSet 等待队列 ，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，这就好比，synchronized 是那些不满足条件的线程都在一间休息室等消息，而 ReentrantLock 支持多间休息室，有专门等烟的休息室、专门等早餐的休息室、唤醒时也是按休息室来唤醒
使用要点：
- await 前需要获得锁
- await 执行后，会释放锁，进入 conditionObject 等待
- await 的线程被唤醒（或打断、或超时）取重新竞争 lock 锁
- 竞争 lock 锁成功后，从 await 后继续执行
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();
}
13. 同步模式之顺序控制
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();
}
交替输出（wait/notify 版本）
public class Test {
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;
}
}
14. ThreadLocal
ThreadLocal 是 JDK 包提供的，它提供线程本地变量，也就是如果创建了一个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 ThreadLocalTest {
public static void main(String[] args) {
// 创建ThreadLocal变量
ThreadLocal<String> stringThreadLocal = new ThreadLocal<>();
ThreadLocal<User> 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("Cristiano", 37));
// 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("Lionel", 34));
// 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 +
'}';
}
}
thread1 stringThreadLocal second
thread2 stringThreadLocal second
User{name='Cristiano', age=37}
User{name='Lionel', age=34}
null
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
- 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
public class Thread implements Runnable {
...
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;
ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;
...
}
static class ThreadLocalMap {
static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
/** The value associated with this ThreadLocal. */
Object value;
Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
super(k);
value = v;
}
}
}
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.
ThreadLocal 中的方法
public void set(T value) {
//获取当前线程
Thread t = Thread.currentThread();
//获得ThreadLocalMap对象, 返回Thread类中的threadLocals
ThreadLocalMap map = getMap(t);
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);
}
void createMap(Thread t, T firstValue) {
// 创建的同时设置想放入的值
// threadLocal自生的引用作为key，传入的值作为value
t.threadLocals = new ThreadLocalMap(this, firstValue);
}
public T get() {
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null) {
ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
if (e != null) {
@SuppressWarnings("unchecked")
T result = (T)e.value;
return result;
}
}
return setInitialValue();
}
private T setInitialValue() {
T value = initialValue();
Thread t = Thread.currentThread();
ThreadLocalMap map = getMap(t);
if (map != null)
map.set(this, value);
else
createMap(t, value);
return value;
}
public void remove() {
ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
if (m != null)
m.remove(this);
}
- 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
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
Thread t = Thread.currentThread();
因此 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
public class Test {
public static void main(String[] args) {
ThreadLocal<String> stringThreadLocal = new ThreadLocal<>();
InheritableThreadLocal<String> 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();
}
}
运行结果
null
this is inheritableThreadLocal
InheritableThreadLocal 的值成功从主线程传入了子线程，而 ThreadLocal 没有。
原理
public class InheritableThreadLocal<T> extends ThreadLocal<T> {
// 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);
}
}
- 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
- 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