《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

  1. 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) {
		
		}
	}
}
  1. 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
  • 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。
《Java 并发编程》共享模型之管程_第1张图片
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
    《Java 并发编程》共享模型之管程_第2张图片

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
    《Java 并发编程》共享模型之管程_第3张图片

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);
}

《Java 并发编程》共享模型之管程_第4张图片

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
    《Java 并发编程》共享模型之管程_第5张图片

4. Monitor 概念

《Java 并发编程》共享模型之管程_第6张图片
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:
《Java 并发编程》共享模型之管程_第7张图片

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)
    《Java 并发编程》共享模型之管程_第8张图片

  • 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
    《Java 并发编程》共享模型之管程_第9张图片

  • 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
    《Java 并发编程》共享模型之管程_第10张图片

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
    《Java 并发编程》共享模型之管程_第11张图片
  • 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)
    《Java 并发编程》共享模型之管程_第12张图片

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
    《Java 并发编程》共享模型之管程_第13张图片
  • 第二种情况
    《Java 并发编程》共享模型之管程_第14张图片

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。
《Java 并发编程》共享模型之管程_第15张图片
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)
    《Java 并发编程》共享模型之管程_第16张图片
  • 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

《Java 并发编程》共享模型之管程_第17张图片

  • 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

《Java 并发编程》共享模型之管程_第18张图片

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
  • 《Java 并发编程》共享模型之管程_第19张图片

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
    《Java 并发编程》共享模型之管程_第20张图片

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
  • 《Java 并发编程》共享模型之管程_第21张图片

9. 线程状态转换

《Java 并发编程》共享模型之管程_第22张图片
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。
    在这里插入图片描述
    《Java 并发编程》共享模型之管程_第23张图片
    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
    《Java 并发编程》共享模型之管程_第24张图片

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

《Java 并发编程》共享模型之管程_第25张图片

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

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