java并发编程四 Monitor 概念，api介绍与线程状态转换

Monitor 概念

Java 对象头 以 32 位虚拟机为例子：
普通对象
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数组对象
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其中 Mark Word 结构为
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64 位虚拟机 Mark Word
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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

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
    在这里插入图片描述

  • 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）
    在这里插入图片描述

小南于是可以离开休息室，重新进入竞争锁的队列
在这里插入图片描述

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

提示
sleep(long n) 和 wait(long n) 的区别

  1. sleep 是 Thread 方法，而 wait 是 Object 的方法
  2. sleep 不需要强制和 synchronized 配合使用，但 wait 需要和 synchronized 一起用
  3. sleep 在睡眠的同时，不会释放对象锁的，但 wait 在等待的时候会释放对象锁
  4. 它们状态 TIMED_WAITING

Park & Unpark

基本使用
它们是 LockSupport 类中的方法

// 暂停当前线程
LockSupport.park(); 
// 恢复某个线程的运行
LockSupport.unpark(暂停线程对象)

先 park 再 unpark

Thread t1 = new Thread(() -> {
 log.debug("start...");
 sleep(1);
 log.debug("park...");
 LockSupport.park();
 log.debug("resume...");
 },"t1");
 t1.start();
 sleep(2);
 log.debug("unpark...");
 LockSupport.unpark(t1);

输出

18:42:52.585 c.TestParkUnpark [t1] - start... 
18:42:53.589 c.TestParkUnpark [t1] - park... 
18:42:54.583 c.TestParkUnpark [main] - unpark... 
18:42:54.583 c.TestParkUnpark [t1] - resume...

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

重新理解线程状态转换

在这里插入图片描述

假设有线程 Thread t
情况 1 NEW --> RUNNABLE
当调用 t.start() 方法时，由 NEW --> RUNNABLE
情况 2 RUNNABLE <–> WAITING
t 线程用 synchronized(obj) 获取了对象锁后

  • 调用 obj.wait() 方法时，t 线程从 调用RUNNABLE --> WAITING
  • 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
public class TestWaitNotify {
 final static Object obj = new Object();
 public static void main(String[] args) {
    new Thread(() -> {
 synchronized (obj) {
 log.debug("执行....");
 try {
 obj.wait();
                } 
catch (InterruptedException e) {
 e.printStackTrace();
                }
 log.debug("其它代码...."); // 断点
            }
        },"t1").start();
 new Thread(() -> {
 synchronized (obj) {
 log.debug("执行....");
 try {
 obj.wait();
                } 
catch (InterruptedException e) {
 e.printStackTrace();
                }
 log.debug("其它代码...."); // 断点
            }
        },"t2").start();
 sleep(0.5);
 log.debug("唤醒 obj 上其它线程");
 synchronized (obj) {
 obj.notifyAll(); // 唤醒obj上所有等待线程  断点
        }
    }
 }

情况 3 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 4 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 5 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() ，
      • 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 6 RUNNABLE <–> TIMED_WAITING

  • 当前线程调用 t.interrupt() 时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 7 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 8 RUNNABLE <–> TIMED_WAITING
  • 当前线程调用 LockSupport.parkNanos(long nanos) 或 程从 RUNNABLE --> IMED_WAITING
  • 调用 LockSupport.parkUntil(long millis) 时，当前线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 9 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 10 RUNNABLE <–> TERMINATED
    当前线程所有代码运行完毕，进入TERMINATED

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