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Java并发编程原理: 线程之间的互斥与协作机制

可能在synchronized关键字的实现原理中,你已经知道了它的底层是使用Monitor的相关指令来实现的,但是还不清楚Monitor的具体细节。本文将让你彻底Monitor的底层实现原理。

管程

一个管程可以被认为是一个带有特殊房间的建筑,这个特殊房间只能被一个线程占用。这个房间包含很多数据和代码。

如果一个线程要占用特殊房间(也就是红色区域),那么首先它必须在Hallway中等待。调度器基于某些规则(例如先进先出)从Hallway中取一个线程。如果线程在Hallway由于某些原因被挂起,它将会被送往等待房间(也就是蓝色区域),在一段时间后被调度到特殊房间中。

简而言之,监视器是一种监视现场访问特殊房间的设备。他能够使有且仅有一个线程访问的受保护的代码和数据。

Monitor

在Java虚拟机中,每一个对象和类都与一个监视器相关联。为了实现监视器的互斥功能,锁(有时候也称为互斥体)与每一个对象和类关联。在操作系统书中,这叫做信号量,互斥锁也被称为二元信号量。

如果一个线程拥有某些数据上的锁,其他线程想要获得锁只能等到这个线程释放锁。如果我们在进行多线程编程时总是需要编写一个信号量,那就不太方便了。幸运的是,我们不需要这样做,因为JVM会自动为我们做这件事。

为了声明一个同步区域(这里意味着数据不可能被超过一个线程访问),Java提供了synchronized块和synchronized方法。一旦代码被synchronized关键字绑定,它就是一个监视器区域。它的锁将会在后面被JVM实现。

Monitor是 Java中用以实现线程之间的互斥与协作的主要手段,它可以看成是对象或者Class的锁。每一个对象都有,也仅有一个 monitor。下面这个图,描述了线程和 Monitor之间关系,以及线程的状态转换图:

进入区(Entrt Set):表示线程通过synchronized要求获取对象的锁,但并未得到。

拥有者(The Owner):表示线程成功竞争到对象锁。

等待区(Wait Set):表示线程通过对象的wait方法,释放对象的锁,并在等待区等待被唤醒。

  1. 线程状态
  2. NEW,未启动的。不会出现在Dump中。
  3. RUNNABLE,在虚拟机内执行的。
  4. BLOCKED,等待获得监视器锁。
  5. WATING,无限期等待另一个线程执行特定操作。
  6. TIMED_WATING,有时限的等待另一个线程的特定操作。
  7. TERMINATED,已退出的。

举个例子:

package com.jiuyan.mountain.test;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * Hello world!
 * 
 */
public class App {

   public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
       MyTask task = new MyTask();
       Thread t1 = new Thread(task);
       t1.setName("t1");
       Thread t2 = new Thread(task);
         t2.setName("t2");
        t1.start();
         t2.start();
  }

}

class MyTask implements Runnable {

   private Integer mutex;

   public MyTask() {
       mutex = 1;
   }

   @Override
   public void run() {
       synchronized (mutex) {
         while(true) {
           System.out.println(Thread.currentThread().getName());
           try {
               TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
           } catch (InterruptedException e) {
               // TODO Auto-generated catch block
               e.printStackTrace();
           }
          }
        }
   }

}

线程状态:

"t2" prio=10 tid=0x00007f7b2013a800 nid=0x67fb waiting for monitor entry [0x00007f7b17087000]
 java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
  at com.jiuyan.mountain.test.MyTask.run(App.java:35)
  - waiting to lock <0x00000007d6b6ddb8> (a java.lang.Integer)
  at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

"t1" prio=10 tid=0x00007f7b20139000 nid=0x67fa waiting on condition [0x00007f7b17188000]
 java.lang.Thread.State: TIMED_WAITING (sleeping)
  at java.lang.Thread.sleep(Native Method)

t1没有抢到锁,所以显示BLOCKED。t2抢到了锁,但是处于睡眠中,所以显示TIMED_WAITING,有限等待某个条件来唤醒。 把睡眠的代码去掉,线程状态变成了:

"t2" prio=10 tid=0x00007fa0a8102800 nid=0x6a15 waiting for monitor entry [0x00007fa09e37a000]
 java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
  at com.jiuyan.mountain.test.MyTask.run(App.java:35)
  - waiting to lock <0x0000000784206650> (a java.lang.Integer)
  at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

"t1" prio=10 tid=0x00007fa0a8101000 nid=0x6a14 runnable [0x00007fa09e47b000]
 java.lang.Thread.State: RUNNABLE
  at java.io.FileOutputStream.writeBytes(Native Method)

t1显示RUNNABLE,说明正在运行,这里需要额外说明一下,如果这个线程正在查询数据库,但是数据库发生死锁,虽然线程显示在运行,实际上并没有工作,对于IO型的线程别只用线程状态来判断工作是否正常。 把MyTask的代码小改一下,线程拿到锁之后执行wait,释放锁,进入等待区。

public void run() {
     synchronized (mutex) {
         if(mutex == 1) {
             try {
                 mutex.wait();
             } catch (InterruptedException e) {
                 e.printStackTrace();
             }
         }
      }
  }

线程状态如下:

"t2" prio=10 tid=0x00007fc5a8112800 nid=0x5a58 in Object.wait() [0x00007fc59b58c000]
 java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
  at java.lang.Object.wait(Native Method)

"t1" prio=10 tid=0x00007fc5a8111000 nid=0x5a57 in Object.wait() [0x00007fc59b68d000]
 java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
  at java.lang.Object.wait(Native Method)

两个线程都显示WAITING,这次是无限期的,需要重新获得锁,所以后面跟了on object monitor。 再来个死锁的例子:

 package com.jiuyan.mountain.test;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * Hello world!
 * 
 */
public class App {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyTask task1 = new MyTask(true);
        MyTask task2 = new MyTask(false);
        Thread t1 = new Thread(task1);
        t1.setName("t1");
        Thread t2 = new Thread(task2);
        t2.setName("t2");
        t1.start();
        t2.start();
    }

}

class MyTask implements Runnable {

    private boolean flag;

    public MyTask(boolean flag) {
        this.flag = flag;
    }

    @Override
    public void run() {
        if(flag) {
            synchronized (Mutex.mutex1) {
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (Mutex.mutex2) {
                    System.out.println("ok");
                }
            }
        } else {
            synchronized (Mutex.mutex2) {
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (Mutex.mutex1) {
                    System.out.println("ok");
                }
            }
        }
    }

}

class Mutex {
   public static Integer mutex1 = 1;
   public static Integer mutex2 = 2;
}  

线程状态:

"t2" prio=10 tid=0x00007f5f9c122800 nid=0x3874 waiting for monitor entry [0x00007f5f67efd000]
 java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
  at com.jiuyan.mountain.test.MyTask.run(App.java:55)
  - waiting to lock <0x00000007d6c45bd8> (a java.lang.Integer)
  - locked <0x00000007d6c45be8> (a java.lang.Integer)
  at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

"t1" prio=10 tid=0x00007f5f9c121000 nid=0x3873 waiting for monitor entry [0x00007f5f67ffe000]
 java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
  at com.jiuyan.mountain.test.MyTask.run(App.java:43)
  - waiting to lock <0x00000007d6c45be8> (a java.lang.Integer)
  - locked <0x00000007d6c45bd8> (a java.lang.Integer)
  at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

Found one Java-level deadlock:
=============================
"t2":
waiting to lock monitor 0x00007f5f780062c8 (object 0x00000007d6c45bd8, a java.lang.Integer),
which is held by "t1"
"t1":
waiting to lock monitor 0x00007f5f78004ed8 (object 0x00000007d6c45be8, a java.lang.Integer),
which is held by "t2"

这个有点像哲学家就餐问题,每个线程都持有对方需要的锁,那就运行不下去了。

In Java synchronization code, which part is monitor?

We know that each object/class is associated with a Monitor. I think it is good to say that each object has a monitor, since each object could have its own critical section, and capable of monitoring the thread sequence.

To enable collaboration of different threads, Java provide wait() and notify() to suspend a thread and to wake up another thread that are waiting on the object respectively. In addition, there are 3 other versions:

wait(long timeout, int nanos)
wait(long timeout) notified by other threads or notified by timeout. 
notify(all)

Those methods can only be invoked within a synchronized statement or synchronized method. The reason is that if a method does not require mutual exclusion, there is no need to monitor or collaborate between threads, every thread can access that method freely.

参考资料

Monitors – The Basic Idea of Java Synchronization:https://www.programcreek.com/2011/12/monitors-java-synchronization-mechanism/ https://www.jianshu.com/p/c6a04c88900a https://blog.csdn.net/Oeljeklaus/article/details/88366789

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