技术标签: synchronized wait JUC、数据结构、算法、JVM、Linxu notify
在Java里面,wait()和notify()是Object的成员函数,是基础中的基础。为什么Java要把wait()和notify()放在如此基础的类里面,而不是作为像Thread一类的成员函数,或者其他类的成员函数呢?
先看为什么wait()和notify()必须和synchronized一起使用?请看下面的代码:
等待什么?唤醒什么?什么时候等待和唤醒?
class MyClass1 {
private Object obj1 = new Object();
public void method1() {
synchronized(obj1) {
//...
obj1.wait();
//...
}
}
public void method2() {
synchronized(obj1) {
//...
obj1.notify();
//...
}
}
}
或者下面的代码:
public class MyClass1 {
public void synchronized method1() {
//...
this.wait();
//...
}
public void synchronized method2() {
//...
this.notify();
//...
}
}
然后,开两个线程,线程A调用method1(),线程B调用method2()。
两个线程之间要通信,对于同一个对象来说,一个线程调用该对象的wait(),另一个线程调用该对象的notify(),该对象本身就需要同步(通过加锁的方式,进行协调,谁来操作)!所以,在调用wait()、notify()之前,要先通过synchronized关键字同步给对象,也就是给该对象加锁。
synchronized关键字可以加在任何对象的实例方法上面,任何对象都可能成为锁。因此,wait()和notify()只能放在Object里面了。
对于同一个对象来说,两个线程之间要通信,通过加锁的方式,进行协调,谁来操作
wait/notify 等方法也依赖于 monitor 对象,只有在同步的块或者方法中才能调用 wait/notify 等方法
当线程A进入synchronized(obj1)中之后,也就是对obj1上了锁。此时,调用wait()进入阻塞状态,一直不能退出synchronized代码块;那么,线程B永远无法进入synchronized(obj1)同步块里,永远没有机会调用notify(),发生死锁。
这就涉及一个关键的问题:在wait()的内部,会先释放锁obj1,然后进入阻塞状态,之后,它被另外一个线程用notify()唤醒,重新获取锁!其次,wait()调用完成后,执行后面的业务逻辑代码,然后退出synchronized同步块,再次释放锁。
wait()内部的伪代码如下:
wait() {
// 释放锁
// 阻塞,等待被其他线程notify
// 重新获取锁
}
如此则可以避免死锁。
以上述的生产者-消费者模型来看,其伪代码大致如下:
public void enqueue() {
synchronized(queue) {
while (queue.full()) {
queue.wait();
}
//... 数据入列
queue.notify(); // 通知消费者,队列中有数据了。
}
}
public void dequeue() {
synchronized(queue) {
while (queue.empty()) {
queue.wait();
}
// 数据出队列
queue.notify(); // 通知生产者,队列中有空间了,可以继续放数据了。
}
}
多线程环境下,生产者在通知消费者的同时,也通知了其他的生产者;消费者在通知生产者的同时,也通知了其他消费者。原因在于wait()和notify()所作用的对象和synchronized所作用的对象是同一个,只能有一个对象,无法区分队列空和列队满两个条件。这正是Condition要解决的问题。
补充:在当前线程中调用park(),该线程就会被阻塞;在另外一个线程中,调用unpark(Thread thread),传入一个被阻塞的线程,就可以唤醒阻塞在park()地方的线程。
unpark(Thread thread),它实现了一个线程对另外一个线程的“精准唤醒”。
notify也只是唤醒某一个线程,但无法指定具体唤醒哪个线程。
从上⾯我们可以看出:
当执⾏ monitorenter 指令时,线程试图获取锁也就是获取 对象监视器 monitor 的持有权。
另外, wait/notify 等方法也依赖于 monitor 对象,这就是为什么只有在同步的块或者方法中才能调用 wait/notify 等方法,否则会抛出 java.lang.IllegalMonitorStateException 的异常的原因。
在执行 monitorenter 时,会尝试获取对象的锁,如果锁的计数器为 0 则表示锁可以被获取,获取后将锁计数器设为 1 也就是加 1。
在执行 monitorexit 指令后,将锁计数器设为 0,表明锁被释放。如果获取对象锁失败,那当前线程就要阻塞等待,直到锁被另外⼀个线程释放为止。
synchronized 修饰的方法并没有 monitorenter 指令和 monitorexit 指令,取得代之的确实是ACC_SYNCHRONIZED 标识,该标识指明了该方法是⼀个同步方法。JVM 通过该ACC_SYNCHRONIZED 访问标志来辨别⼀个方法是否声明为同步方法,从而执行相应的同步调用。
synchronized 同步语句块的实现使用的是 monitorenter 和 monitorexit 指令,其中monitorenter 指令指向同步代码块的开始位置, monitorexit 指令则指明同步代码块的结束位置。
synchronized 修饰的方法并没有 monitorenter 指令和 monitorexit 指令,取得代之的确实是ACC_SYNCHRONIZED 标识,该标识指明了该方法是⼀个同步方法。
不过两者的本质都是对对象监视器 monitor 的获取。
在Java1.6之后,sychronized在实现上分为了偏向锁、轻量级锁和重量级锁,其中偏向锁在 java1.6 是默认开启的,轻量级锁在多线程竞争的情况下会膨胀成重量级锁,有关锁的数据都保存在对象头中。
从轻量级锁获取的流程中我们知道,当线程在获取轻量级锁的过程中执行CAS操作失败时,是要通过自旋来获取重量级锁的。问题在于,自旋是需要消耗CPU的,如果一直获取不到锁的话,那该线程就一直处在自旋状态,白白浪费CPU资源。
其中解决这个问题最简单的办法就是指定自旋的次数,例如让其循环10次,如果还没获取到锁就进入阻塞状态。但是JDK采用了更聪明的方式——适应性自旋,简单来说就是线程如果自旋成功了,则下次自旋的次数会更多,如果自旋失败了,则自旋的次数就会减少。
锁粗化的概念应该比较好理解,就是将多次连接在一起的加锁、解锁操作合并为一次,将多个连续的锁扩展成一个范围更大的锁。举个例子:
public class StringBufferTest {
StringBuffer stringBuffer=newStringBuffer();
public void append(){
stringBuffer.append("a");
stringBuffer.append("b");
stringBuffer.append("c");
}
}
这里每次调用stringBuffer.append方法都需要加锁和解锁,如果虚拟机检测到有一系列连串的对同一个对象加锁和解锁操作,就会将其合并成一次范围更大的加锁和解锁操作,即在第一次append方法时进行加锁,最后一次append方法结束后进行解锁。
锁消除即删除不必要的加锁操作。根据代码逃逸技术,如果判断到一段代码中,堆上的数据不会逃逸出当前线程,那么可以认为这段代码是线程安全的,不必要加锁。看下面这段程序:
publicclassSynchronizedTest02 {
public static void main(String[] args) {
SynchronizedTest02 test02=newSynchronizedTest02();
for (inti=0; i<10000; i++) {
i++;
}
longstart=System.currentTimeMillis();
for (inti=0; i<100000000; i++) {
test02.append("abc", "def");
}
System.out.println("Time="+ (System.currentTimeMillis() -start));
}
public void append(Stringstr1, Stringstr2) {
StringBuffer sb=newStringBuffer();
sb.append(str1).append(str2);
}
}
虽然StringBuffer的append是一个同步方法,但是这段程序中的StringBuffer属于一个局部变量,并且不会从该方法中逃逸出去,所以其实这过程是线程安全的,可以将锁消除。
缺点:
如果一份资源需要多个线程同时访问,需要给该资源加锁。加锁之后,可以保证同一时间只能有一个线程访问该资源。资源可以是一个变量、一个对象或一个文件等。
锁是一个“对象”,作用如下:
要访问的共享资源本身也是一个对象,例如前面的对象myClass,这两个对象可以合成一个对象。代码就变成synchronized(this) {…},要访问的共享资源是对象a,锁加在对象a上。当然,也可以另外新建一个对象,代码变成synchronized(obj1) {…}。这个时候,访问的共享资源是对象a,而锁加在新建的对象obj1上。
资源和锁合二为一,使得在Java里面,synchronized关键字可以加在任何对象的成员上面。这意味着,这个对象既是共享资源,同时也具备“锁”的功能!
多个线程竞争一个资源,当某个线程拿到资源并上锁后,当释放资源时,其他线程是怎么知道该资源是可以竞争的?非自旋锁;执行unlock操作后是怎么通知的?
如果是synchronized的,在对象头上,每个资源都有一个monitor变量,当 Monitor 对象被某个线程持有后,就会处于锁定状态,Monitor 也有两个队列。用来存放进入及等待获取锁的线程。
如果是aqs,aqs中有一个volatile修是的state变量,当前线程拿到锁的时候,state是1,其他线程在同步队列中。其他线程判断state状态状态进行资源竞争
看unparkSuccessor方法,unparkSuccessor(…)方法唤醒队列中的后继者:
new ⼀个 Thread,线程进⼊了新建状态。调⽤ start() ⽅法,会启动⼀个线程并使线程进⼊了就绪状态,当分配到时间⽚后就可以开始运⾏了。 start() 会执行线程的相应准备⼯作,然后自动执⾏ run() ⽅法的内容,这是真正的多线程⼯作。 但是,直接执行 run() ⽅法,会把 run()方法当成一个 main 线程下的普通方法去执行,并不会在某个线程中执⾏它,所以这并不是多线程⼯作。
总结: 调⽤ start() 方法 可启动线程并使线程进入就绪状态,直接执行 run() 方法的话不会以多线程的方式执行。
synchronized 关键字和 volatile 关键字是两个互补的存在,⽽不是对⽴的存在!
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