Java并发编程 - 共享模型之管程

一、共享带来的问题

小故事

老王（操作系统）有一个功能强大的算盘（CPU），现在想把它租出去，赚一点外快
小南、小女（线程）来使用这个算盘来进行一些计算，并按照时间给老王支付费用
但小南不能一天 24 小时使用算盘，他经常要小憩一会（sleep），又或是去吃饭上厕所（阻塞 io 操作），有时还需要一根烟，没烟时思路全无（wait）这些情况统称为（阻塞）
-这些时候，算盘没利用起来（不能收钱了），老王觉得有点不划算
另外，小女也想用用算盘，如果总是小南占着算盘，让小女觉得不公平
于是，老王灵机一动，想了个办法 [ 让他们每人用一会，轮流使用算盘 ]
这样，当小南阻塞的时候，算盘可以分给小女使用，不会浪费，反之亦然
最近执行的计算比较复杂，需要存储一些中间结果，而学生们的脑容量（工作内存）不够，所以老王申请了一个笔记本（主存），把一些中间结果先记在本上
计算流程是这样的
但是由于分时系统，有一天还是发生了事故
小南刚读取了初始值 0 做了个 +1 运算，还没来得及写回结果
老王说 [ 小南，你的时间到了，该别人了，记住结果走吧 ]，于是小南念叨着 [ 结果是 1 ，结果是1…] 不甘心地到一边待着去了（上下文切换）
老王说 [ 小女，该你了 ]，小女看到了笔记本上还写着 0 做了一个 -1 运算，将结果 -1 写入笔记本
这时小女的时间也用完了，老王又叫醒了小南：[小南，把你上次的题目算完吧]，小南将他脑海中的结果 1 写入了笔记本
小南和小女都觉得自己没做错，但笔记本里的结果是 1 而不是 0

Java 的体现

两个线程对初始值为 0 的静态变量一个做自增，一个做自减，各做 5000 次，结果是 0 吗？

package top.onefine.test;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;@Slf4j(topic = "c.Test17")
public class Test17 {private static int counter = 0;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 5000; i++) {counter++;}}, "t1");Thread t2 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 5000; i++) {counter--;}}, "t2");t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();log.debug("{}", counter);}}

问题分析

以上的结果可能是正数、负数、零。为什么呢？因为 Java 中对静态变量的自增，自减并不是原子操作，要彻底理解，必须从字节码来进行分析
例如对于 i++ 而言（i 为静态变量），实际会产生如下的 JVM 字节码指令：

getstatic i  // 获取静态变量i的值
iconst_1        // 准备常量 1
iadd            // 自增
putstatic i     // 将修改后的值存入静态变量i

而对应 i-- 也是类似：

getstatic i  // 获取静态变量i的值
iconst_1        // 准备常量 1
isub            // 自减
putstatic i     // 将修改后的值存入静态变量i

而 Java 的内存模型如下，完成静态变量的自增，自减需要在主存和工作内存中进行数据交换：

如果是单线程以上 8 行代码是顺序执行（不会交错）没有问题：

但多线程下这 8 行代码可能交错运行：
出现负数的情况：

出现正数的情况：

临界区 Critical Section

一个程序运行多个线程本身是没有问题的
问题出在多个线程访问共享资源
- 多个线程读共享资源其实也没有问题
- 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
一段代码块内如果存在对共享资源的多线程读写操作，称这段代码块为临界区

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--;
}

竞态条件 Race Condition

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

二、 synchronized 解决方案

* 应用之互斥

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

本次课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至多只有一个线程能持有【对象锁】，其它线程再想获取这个【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，不用担心线程上下文切换

注意
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它线程运行到某个点

synchronized

语法

synchronized(对象) // 线程 1 ， 线程2(blocked)
{临界区
}

解决

package top.onefine.test;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;@Slf4j(topic = "c.Test17")
public class Test17 {private static int counter = 0;private static final Object lock = new Object();  // 对象锁public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 5000; i++) {synchronized (lock) {counter++;}}}, "t1");Thread t2 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 5000; i++) {synchronized (lock) {counter--;}}}, "t2");t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();log.debug("{}", counter);}}

你可以做这样的类比：

synchronized(对象) 中的对象，可以想象为一个房间（room），有唯一入口（门）房间只能一次进入一人进行计算，线程 t1，t2 想象成两个人
当线程 t1 执行到 synchronized(room) 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count++ 代码
这时候如果 t2 也运行到了 synchronized(room) 时，它发现门被锁住了，只能在门外等待，发生了上下文切换，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（不要错误理解为锁住了对象就能一直执行下去哦），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时才能开门进入
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 count-- 代码

用图来表示

思考

synchronized 实际是用对象锁保证了临界区内代码的原子性，临界区内的代码对外是不可分割的，不会被线程切换所打断。

为了加深理解，请思考下面的问题

如果把 synchronized(obj) 放在 for 循环的外面，如何理解？-- 原子性
如果 t1 synchronized(obj1) 而 t2 synchronized(obj2) 会怎样运作？-- 锁对象
如果 t1 synchronized(obj) 而 t2 没有加会怎么样？如何理解？-- 锁对象

以上都不行。

面向对象改进

把需要保护的共享变量放入一个类

package top.onefine.test;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;@Slf4j(topic = "c.Test17")
public class Test17 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Room room = new Room();Thread t1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 5000; i++) {room.increment();}}, "t1");Thread t2 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 5000; i++) {room.decrement();}}, "t2");t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();log.debug("{}", room.getCounter());}}class Room {private int counter = 0;public void increment() {synchronized (this) {this.counter++;}}public void decrement() {synchronized (this) {this.counter--;}}public int getCounter() {synchronized (this) {return counter;}}
}

三、方法上的 synchronized

成员方法：

class Test{public synchronized void test() {}
}// 等价于
class Test{public void test() {synchronized(this) {}}
}

静态方法：

class Test{public synchronized static void test() {}
}// 等价于
class Test{public static void test() {synchronized(Test.class) {}}
}

不加 synchronized 的方法

不加 synchronzied 的方法就好比不遵守规则的人，不去老实排队（好比翻窗户进去的）

所谓的“线程八锁”

其实就是考察 synchronized 锁住的是哪个对象

情况 1 ： 12 或 21

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{public synchronized void a() {log.debug("1");}public synchronized void b() {log.debug("2");}
}public static void main(String[] args) {Number n1 = new Number();new Thread(()->{ n1.a(); }).start();new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
}

情况 2 ：1s后 12 ，或 2 1s后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{public synchronized void a() {sleep(1);log.debug("1");}public synchronized void b() {log.debug("2");}
}public static void main(String[] args) {Number n1 = new Number();new Thread(()->{ n1.a(); }).start();new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
}

情况 3 ：3 1s 12 或 23 1s 1 或 32 1s 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{public synchronized void a() {sleep(1);log.debug("1");}public synchronized void b() {log.debug("2");}public void c() {log.debug("3");}
}public static void main(String[] args) {Number n1 = new Number();new Thread(()->{ n1.a(); }).start();new Thread(()->{ n1.b(); }).start();new Thread(()->{ n1.c(); }).start();
}

情况 4 ：2 1s 后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{public synchronized void a() {sleep(1);log.debug("1");}public synchronized void b() {log.debug("2");}
}public static void main(String[] args) {Number n1 = new Number();Number n2 = new Number();// 这里锁对象不一样new Thread(()->{ n1.a(); }).start();new Thread(()->{ n2.b(); }).start();
}

情况 5 ：2 1s 后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{public static synchronized void a() {  // 对象锁为类sleep(1);log.debug("1");}public synchronized void b() {  // 对象锁为实例log.debug("2");}
}public static void main(String[] args) {Number n1 = new Number();new Thread(()->{ n1.a(); }).start();new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
}

情况 6 ：1s 后 12 ，或 2 1s后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{public static synchronized void a() {sleep(1);log.debug("1");}public static synchronized void b() {log.debug("2");}
}public static void main(String[] args) {Number n1 = new Number();new Thread(()->{ n1.a(); }).start();new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
}

情况 7 ：2 1s 后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{public static synchronized void a() {sleep(1);log.debug("1");}public synchronized void b() {log.debug("2");}
}public static void main(String[] args) {Number n1 = new Number();Number n2 = new Number();new Thread(()->{ n1.a(); }).start();new Thread(()->{ n2.b(); }).start();
}

情况 8 ：1s 后 12 ，或 2 1s后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{public static synchronized void a() {sleep(1);log.debug("1");}public static synchronized void b() {log.debug("2");}
}public static void main(String[] args) {Number n1 = new Number();Number n2 = new Number();new Thread(()->{ n1.a(); }).start();new Thread(()->{ n2.b(); }).start();
}

四、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，又分两种情况
- 如果只有读操作，则线程安全
- 如果有读写操作，则这段代码是临界区，需要考虑线程安全

局部变量是否线程安全？

局部变量是线程安全的
但局部变量引用的对象则未必
- 如果该对象没有逃离方法的作用范围，它是线程安全的
- 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。如图：

局部变量的引用稍有不同

先看一个成员变量的例子

package top.onefine.test;import java.util.ArrayList;public class TestThreadUnsafe {static final int THREAD_NUMBER = 2;static final int LOOP_NUMBER = 200;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 ThreadUnsafe {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();// } 临界区}}private void method2() {list.add("1");}private void method3() {list.remove(0);}
}

其中一种情况是，如果线程 2 还未 add，线程1 remove 就会报错：

Exception in thread "Thread1" java.lang.IndexOutOfBoundsException: Index: 0, Size: 0at java.util.ArrayList.rangeCheck(ArrayList.java:657)at java.util.ArrayList.remove(ArrayList.java:496)at cn.itcast.n6.ThreadUnsafe.method3(TestThreadSafe.java:35)at cn.itcast.n6.ThreadUnsafe.method1(TestThreadSafe.java:26)at cn.itcast.n6.TestThreadSafe.lambda$main$0(TestThreadSafe.java:14)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

class ThreadSafe {public final void method1(int loopNumber) {ArrayList<String> list = new ArrayList<>();for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {method2(list);method3(list);}}private void method2(ArrayList<String> list) {list.add("1");}private void method3(ArrayList<String> list) {list.remove(0);}
}

那么就不会有上述问题了

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

方法访问修饰符带来的思考，如果把 method2 和 method3 的方法修改为 public 会不会代理线程安全问题？

情况 1 ：有其它线程调用 method2 和 method3 [不会有线程安全问题]
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 [有线程安全问题]

class ThreadSafe {// 注意这里是final, 可以禁止子类重新此方法public final void method1(int loopNumber) {ArrayList<String> list = new ArrayList<>();for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {method2(list);method3(list);}}// 注意这里是private，子类不能重写该方法private void method2(ArrayList<String> list) {list.add("1");}// 注意这里是public，子类可以重写该方法public void method3(ArrayList<String> list) {list.remove(0);}
}class ThreadSafeSubClass extends ThreadSafe {@Overridepublic void method3(ArrayList<String> list) {new Thread(() -> {list.remove(0);}).start();}
}

从这个例子可以看出 private 或 final 提供【安全】的意义所在，请体会开闭原则中的【闭】

常见线程安全类

String
Integer等包装类
StringBuffer
Random
Vector
Hashtable
java.util.concurrent 包下的类

这里说它们是线程安全的是指，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。

Hashtable table = new Hashtable();new Thread(()->{table.put("key", "value1");
}).start();new Thread(()->{table.put("key", "value2");
}).start();// 源码：
public synchronized V put(K key, V value) {...
}

也可以理解为

它们的每个方法是原子的
但注意它们多个方法的组合不是原子的，见后面分析

线程安全类方法的组合

分析下面代码是否线程安全？【不是线程安全的】

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

有同学或许有疑问，String 有 replace，substring 等方法【可以】改变值啊，那么这些方法又是如何保证线程安全的呢？

public class Immutable{private int value = 0;public Immutable(int value){this.value = value;}public int getValue(){return this.value;}
}

如果想增加一个增加的方法呢？

public class Immutable{private int value = 0;public Immutable(int value){this.value = value;}public int getValue(){return this.value;}public Immutable add(int v){return new Immutable(this.value + v);}
}

实例分析

例 1 ：

public class MyServlet extends HttpServlet {// 是否安全？ 不是Map<String,Object> map = new HashMap<>();// 是否安全？ 是String S1 = "...";// 是否安全？ 是final String S2 = "...";// 是否安全？ 不是Date D1 = new Date();// 是否安全？ 不是final Date D2 = new Date();public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {// 使用上述变量}
}

例 2 ：

public class MyServlet extends HttpServlet {// 是否安全？ 不是private UserService userService = new UserServiceImpl();public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {userService.update(...);}
}public class UserServiceImpl implements UserService {// 记录调用次数private int count = 0;public void update() {// ...count++;}
}

例 3 ：

@Aspect
@Component
public class MyAspect {// 是否安全？不是private long start = 0L;@Before("execution(* *(..))")public void before() {start = System.nanoTime();}@After("execution(* *(..))")public void after() {long end = System.nanoTime();System.out.println("cost time:" + (end-start));}
}

例 4 ：

public class MyServlet extends HttpServlet {// 是否安全？是private UserService userService = new UserServiceImpl();public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {userService.update(...);}
}public class UserServiceImpl implements UserService {// 是否安全？是private UserDao userDao = new UserDaoImpl();public void update() {userDao.update();}
}public class UserDaoImpl implements UserDao {public void update() {String sql = "update user set password = ? where username = ?";// 是否安全？是try (Connection conn = DriverManager.getConnection("","","")){// ...} catch (Exception e) {// ...}}
}

例 5 ：

public class MyServlet extends HttpServlet {// 是否安全？不是private UserService userService = new UserServiceImpl();public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {userService.update(...);}
}public class UserServiceImpl implements UserService {// 是否安全？不是private UserDao userDao = new UserDaoImpl();public void update() {userDao.update();}
}public class UserDaoImpl implements UserDao {// 是否安全？不是private Connection conn = null;public void update() throws SQLException {String sql = "update user set password = ? where username = ?";conn = DriverManager.getConnection("","","");// ...conn.close();}
}

例 6 ：

public class MyServlet extends HttpServlet {// 是否安全？是private UserService userService = new UserServiceImpl();public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {userService.update(...);}
}public class UserServiceImpl implements UserService {public void update() {UserDao userDao = new UserDaoImpl();userDao.update();}
}public class UserDaoImpl implements UserDao {// 是否安全？不是private Connection = null;public void update() throws SQLException {String sql = "update user set password = ? where username = ?";conn = DriverManager.getConnection("","","");// ...conn.close();}
}

例 7 ：

public abstract class Test {public void bar() {// 是否安全？不是SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");foo(sdf);}public abstract foo(SimpleDateFormat sdf);public static void main(String[] args) {new Test().bar();}
}

其中 foo 的行为是不确定的，可能导致不安全的发生，被称之为外星方法

public void foo(SimpleDateFormat sdf) {String dateStr = "1999-10-11 00:00:00";for (int i = 0; i < 20; i++) {new Thread(() -> {try {sdf.parse(dateStr);} catch (ParseException e) {e.printStackTrace();}}).start();}
}

请比较 JDK 中 String 类的实现

例 8 ：

private static Integer i = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {List<Thread> list = new ArrayList<>();for (int j = 0; j < 2; j++) {Thread thread = new Thread(() -> {for (int k = 0; k < 5000; k++) {synchronized (i) {i++;}}}, "" + j);list.add(thread);}list.stream().forEach(t -> t.start());list.stream().forEach(t -> {try {t.join();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}});log.debug("{}", i);
}

五、小练习

卖票练习

package top.onefine.test;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Random;
import java.util.Vector;@Slf4j(topic = "c.ExerciseSell")
public class ExerciseSell {public static void main(String[] args) {TicketWindow ticketWindow = new TicketWindow(10000);List<Thread> list = new ArrayList<>();// 用来存储买出去多少张票List<Integer> sellCount = new Vector<>();for (int i = 0; i < 2000; i++) {Thread t = new Thread(() -> {// 分析这里的竞态条件int count = ticketWindow.sell(randomAmount());sellCount.add(count);});list.add(t);t.start();}list.forEach(t -> {try {t.join();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}});// 买出去的票求和log.debug("sold count:{}", sellCount.stream().mapToInt(i -> i).sum());// 剩余票数log.debug("remainder count:{}", ticketWindow.getCount());}// Random 为线程安全static Random random = new Random();// 随机 1~5public static int randomAmount() {return random.nextInt(5) + 1;}
}class TicketWindow {private int count;public TicketWindow(int count) {this.count = count;}public int getCount() {return count;}public synchronized int sell(int amount) {if (this.count >= amount) {this.count -= amount;return amount;} else {return 0;}}
}

转账练习

package top.onefine.test;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;import java.util.Random;@Slf4j(topic = "c.ExerciseTransfer")
public class ExerciseTransfer {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Account a = new Account(1000);Account b = new Account(1000);Thread t1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 1000; i++) {a.transfer(b, randomAmount());}}, "t1");Thread t2 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 1000; i++) {b.transfer(a, randomAmount());}}, "t2");t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();// 查看转账2000次后的总金额log.debug("total:{}", (a.getMoney() + b.getMoney()));}// Random 为线程安全static Random random = new Random();// 随机 1~100public static int randomAmount() {return random.nextInt(100) + 1;}
}class Account {private int money;public Account(int money) {this.money = money;}public int getMoney() {return money;}public void setMoney(int money) {this.money = money;}// 有多个需要保护的变量；注意：以下方式性能不高public void transfer(Account target, int amount) {synchronized (Account.class) {if (this.money > amount) {this.setMoney(this.getMoney() - amount);target.setMoney(target.getMoney() + amount);}}}
}

六、 Monitor 概念

Java 对象头

以 32 位虚拟机为例

普通对象

数组对象

其中 Mark Word 结构为

64 位虚拟机 Mark Word

参考资料
https://stackoverflow.com/questions/26357186/what-is-in-java-object-header

* 原理之 Monitor(锁)

Monitor 被翻译为监视器或管程

每个 Java 对象都可以关联一个 Monitor 对象，如果使用 synchronized 给对象上锁（重量级）之后，该对象头的Mark Word 中就被设置指向 Monitor 对象的指针

Monitor 结构如下：

刚开始 Monitor 中 Owner 为 null
当 Thread-2 执行 synchronized(obj) 就会将 Monitor 的所有者 Owner 置为 Thread-2，Monitor中只能有一个 Owner
在 Thread-2 上锁的过程中，如果 Thread-3，Thread-4，Thread-5 也来执行 synchronized(obj)，就会进入EntryList BLOCKED
Thread-2 执行完同步代码块的内容，然后唤醒 EntryList 中等待的线程来竞争锁，竞争的时是非公平的
图中 WaitSet 中的 Thread-0，Thread-1 是之前获得过锁，但条件不满足进入 WAITING 状态的线程，后面讲wait-notify 时会分析

注意：

synchronized 必须是进入同一个对象的 monitor 才有上述的效果

不加 synchronized 的对象不会关联监视器，不遵从以上规则

* 原理之 synchronized

static final Object lock = new Object();
static int counter = 0;public static void main(String[] args) {synchronized (lock) {counter++;}
}

对应的字节码为

注意

方法级别的 synchronized 不会在字节码指令中有所体现

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

* 原理之 synchronized 进阶

1. 轻量级锁

轻量级锁的使用场景：如果一个对象虽然有多线程要加锁，但加锁的时间是错开的（也就是没有竞争），那么可以使用轻量级锁来优化。

轻量级锁对使用者是透明的，即语法仍然是 synchronized

2. 锁膨胀

如果在尝试加轻量级锁的过程中，CAS 操作无法成功，这时一种情况就是有其它线程为此对象加上了轻量级锁（有竞争），这时需要进行锁膨胀，将轻量级锁变为重量级锁。

3. 自旋优化

重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自旋成功（即这时候持锁线程已经退出了同步块，释放了锁），这时当前线程就可以避免阻塞。

自旋会占用 CPU 时间，单核 CPU 自旋就是浪费，多核 CPU 自旋才能发挥优势。
在 Java 6 之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋，总之，比较智能。
Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能

4. 偏向锁

轻量级锁在没有竞争时（就自己这个线程），每次重入仍然需要执行 CAS 操作。(重入：同一线程内的锁)

Java 6 中引入了偏向锁来做进一步优化：只有第一次使用 CAS 将线程 ID 设置到对象的 Mark Word 头，之后发现这个线程 ID 是自己的就表示没有竞争，不用重新 CAS。以后只要不发生竞争，这个对象就归该线程所有

5. 锁消除

锁消除
锁粗化
- 对相同对象多次加锁，导致线程发生多次重入，可以使用锁粗化方式来优化，这不同于之前讲的细分锁的粒度。

七、 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
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）
小南于是可以离开休息室，重新进入竞争锁的队列

* 原理之 wait / notify

Owner 线程发现条件不满足，调用 wait 方法，即可进入 WaitSet 变为 WAITING 状态
BLOCKED 和 WAITING 的线程都处于阻塞状态，不占用 CPU 时间片
BLOCKED 线程会在 Owner 线程释放锁时唤醒
WAITING 线程会在 Owner 线程调用 notify 或 notifyAll 时唤醒，但唤醒后并不意味者立刻获得锁，仍需进入EntryList 重新竞争

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

注：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

package top.onefine.test;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;@Slf4j(topic = "c.TestWaitNotify")
public class TestWaitNotify {final static Object obj = new Object();public static void main(String[] args) throws InterruptedException {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Thread.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

八、 wait notify 的正确姿势

sleep(long n) 和 wait(long n) 的区别

sleep 是 Thread 方法，而 wait 是 Object 的方法
sleep 不需要强制和 synchronized 配合使用，但 wait 需要和 synchronized 一起用
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
共同点：sleep或wait后，它们状态都是 TIMED_WAITING

解决虚假唤醒栗子：

package top.onefine.test;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;@Slf4j(topic = "c.TestCorrectPostureStep")
public class TestCorrectPostureStep {static final Object room = new Object();static boolean hasCigarette = false;static boolean hasTakeout = false;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {new Thread(() -> {synchronized (room) {log.debug("有烟没？[{}]", hasCigarette);while (!hasCigarette) {log.debug("没烟，先歇会！");try {room.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}/*log.debug("有烟没？[{}]", hasCigarette);if (hasCigarette) {log.debug("可以开始干活了");} else {log.debug("没干成活...");}*/log.debug("可以开始干活了");}}, "小南").start();new Thread(() -> {synchronized (room) {log.debug("外卖送到没？[{}]", hasTakeout);if (!hasTakeout) {log.debug("没外卖，先歇会！");try {room.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}log.debug("外卖送到没？[{}]", hasTakeout);if (hasTakeout) {log.debug("可以开始干活了");} else {log.debug("没干成活...");}}}, "小女").start();Thread.sleep(1000);new Thread(() -> {synchronized (room) {hasTakeout = true;log.debug("外卖到了噢！");room.notifyAll();}}, "送外卖的").start();}}

固定套路：

synchronized(lock) {while(条件不成立) {lock.wait();}// 干活// ...
}//另一个线程
synchronized(lock) {lock.notifyAll();
}

* 模式之保护性暂停-同步模式

1. 定义

即 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，让他们关联同一个 GuardedObject
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，采用的就是此模式
因为要等待另一方的结果，因此归类到同步模式

2. 实现

package top.onefine.test;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;import java.util.LinkedHashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.TimeUnit;@Slf4j(topic = "c.Test20")
public class Test20 {// 需求: 线程1等待线程2的下载结果public static void main(String[] args) {GuardedObject guardedObject = new GuardedObject();new Thread(() -> {// 等待结果log.debug("等待下载结果...");Object o = guardedObject.get();log.debug("下载结果是: {}", o);}, "t1").start();new Thread(() -> {log.debug("开始下载任务...");try {//                Thread.sleep(2000);TimeUnit.SECONDS.sleep(2);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}Map<String, String> result = new LinkedHashMap<>();result.put("status", "OK");result.put("code", "200");result.put("data", "这是下载结果");guardedObject.complete(result);// 到这里t1可以继续执行, 而t2仍可以继续执行其他任务// ... 其他任务...log.debug("下载任务完成!");}, "t2").start();}}class GuardedObject {// 结果private Object response;// 获取结果public Object get() {synchronized (this) {// 解决虚假唤醒的问题while (response == null) {  // 没有结果try {this.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}return response;}}// 产生结果public synchronized void complete(Object response) {this.response = response;this.notifyAll();}
}

3. 扩展1：超时版本的实现

package top.onefine.test;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;import java.util.LinkedHashMap;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.TimeUnit;@Slf4j(topic = "c.Test20")
public class Test20 {// 需求: 线程1等待线程2的下载结果public static void main(String[] args) {GuardedObject guardedObject = new GuardedObject();new Thread(() -> {// 等待结果log.debug("等待下载结果...");Object o = guardedObject.get(1000);  // 等待1slog.debug("下载结果是: {}", o);}, "t1").start();new Thread(() -> {log.debug("开始下载任务...");try {//                Thread.sleep(2000);TimeUnit.SECONDS.sleep(2);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}Map<String, String> result = new LinkedHashMap<>();result.put("status", "OK");result.put("code", "200");result.put("data", "这是下载结果");guardedObject.complete(result);
//            guardedObject.complete(null);  // 演示虚假唤醒// 到这里t1可以继续执行, 而t2仍可以继续执行其他任务// ... 其他任务...log.debug("下载任务完成!");}, "t2").start();}}class GuardedObject {// 结果private Object response;// 获取结果, 超时会返回错误信息public Object get(long timeout) {synchronized (this) {long begin = System.currentTimeMillis();long passedTime = 0;// 解决虚假唤醒的问题while (response == null) {  // 没有结果long waitTime = timeout - passedTime;  // 本轮循环需要等待的时间if (/*passedTime >= timeout*/waitTime <= 0) {break;}try {this.wait(waitTime);  // 考虑虚假唤醒后一次的等待时间} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}passedTime = System.currentTimeMillis() - begin;}return response;}}// 产生结果public synchronized void complete(Object response) {this.response = response;this.notifyAll();}
}

* 原理之 join

是调用者轮询检查线程 alive 状态

t1.join();等价于下面的代码：

synchronized (t1) {// 调用者线程进入 t1 的 waitSet 等待, 直到 t1 运行结束while (t1.isAlive()) {t1.wait(0);}
}

注意
join 体现的是【保护性暂停】模式，请参考之

4. 扩展2：多任务版 GuardedObject的实现

图中 Futures 就好比居民楼一层的信箱（每个信箱有房间编号），左侧的 t0，t2，t4 就好比等待邮件的居民，右侧的 t1，t3，t5 就好比邮递员

如果需要在多个类之间使用 GuardedObject 对象，作为参数传递不是很方便，因此设计一个用来解耦的中间类，

这样不仅能够解耦【结果等待者】和【结果生产者】，还能够同时支持多个任务的管理

package top.onefine.test;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;import java.util.Hashtable;
import java.util.LinkedHashMap;
import java.util.Map;
import java.util.Set;
import java.util.concurrent.TimeUnit;@Slf4j(topic = "c.Test20Mu")
public class Test20Mu {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {for (int i = 0; i < 3; i++) {new People().start();  // 用户等待接收信件}TimeUnit.SECONDS.sleep(2);  // 等待2s[生产上可以再次完成初始化的工作...]// 准备信件Map<Integer, String> mails = new LinkedHashMap<>();for (int i = 1; i <= 4; i++) {mails.put(i, "用户: " + i + ", 您好, 这是你的信件: ...");}for (Integer id : mails.keySet()) {new Postman(id, mails.get(id)).start();}}
}/*** 业务相关类: 用户*/
@Slf4j(topic = "c.People")
class People extends Thread {@Overridepublic void run() {// 收信GuardedObject2 guardedObject = MailBoxes.createGuardedObject();int id = guardedObject.getId();log.debug("{}: 开始接收信件...", id);Object mail = guardedObject.get(5000);if (mail != null)log.debug("{}: 收到信件, 内容: {}", id, mail);elselog.warn("{}: 等待超时", id);}
}/*** 业务相关类: 快递员*/
@Slf4j(topic = "c.Postman")
class Postman extends Thread {private final int id;private final String mail;public Postman(int id, String mail) {this.id = id;this.mail = mail;}@Overridepublic void run() {GuardedObject2 guardedObject = MailBoxes.getGuardedObject(id);if (guardedObject != null) {log.debug("派送信件 id: {} --> mail: {}", id, mail);guardedObject.complete(mail);} else {log.warn("不存在的id: {}, 丢弃信件 --> mail: {}", id, mail);}}
}/*** 中间解耦类*/
class MailBoxes {private static final Map<Integer, GuardedObject2> boxes = new Hashtable<>();  // Hashtable是线程安全的// 新增 id 用来标识 Guarded Objectprivate static int id = 1;// 产生唯一idprivate static synchronized int generateId() {return id++;}// Hashtable是线程安全的, 这里不需加synchronizedpublic static GuardedObject2 createGuardedObject() {GuardedObject2 go = new GuardedObject2(generateId());boxes.put(go.getId(), go);return go;}// 同上, Hashtable是线程安全的, 这里不需加synchronizedpublic static GuardedObject2 getGuardedObject(int id) {return boxes.remove(id);  // 返回value后, 移除}// 同上, Hashtable是线程安全的, 这里不需加synchronized
//    public static Set<Integer> getIds() {//        return boxes.keySet();
//    }
}class GuardedObject2 {// 标识Guarded Objectprivate final int id;public GuardedObject2(int id) {this.id = id;}public int getId() {return id;}// 结果private Object response;// 获取结果, 超时会返回错误信息public synchronized Object get(long timeout) {long begin = System.currentTimeMillis();long passedTime = 0;// 解决虚假唤醒的问题while (response == null) {  // 没有结果long waitTime = timeout - passedTime;  // 本轮循环需要等待的时间if (waitTime <= 0) {System.out.println("超时...");break;}try {this.wait(waitTime);  // 考虑虚假唤醒后一次的等待时间} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}passedTime = System.currentTimeMillis() - begin;}// 这里可以根据response是否为null返回// ...return response;}// 产生结果public synchronized void complete(Object response) {this.response = response;this.notifyAll();}
}

* 模式之生产者消费者-异步模式

1. 定义

要点：

与前面的保护性暂停中的 GuardObject 不同，不需要产生结果和消费结果的线程一一对应
消费队列可以用来平衡生产和消费的线程资源
生产者仅负责产生结果数据，不关心数据该如何处理，而消费者专心处理结果数据
消息队列是有容量限制的，满时不会再加入数据，空时不会再消耗数据
JDK 中各种阻塞队列，采用的就是这种模式

2. 实现

package top.onefine.test;import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.Setter;
import lombok.ToString;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;import java.util.LinkedList;
import java.util.concurrent.TimeUnit;@Slf4j(topic = "c.Test21")
public class Test21 {public static void main(String[] args) {MessageQueue queue = new MessageQueue(2);for (int i = 0; i < 3; i++) {int id = i;new Thread(() -> {queue.put(new Message(id, "value-->" + id));}, "producer-" + i).start();}new Thread(() -> {while (true) {// 这里作为测试try {TimeUnit.SECONDS.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}Message msg = queue.take();}}, "consumer").start();}
}// 消息队列类, 用于java线程之间通信
@Slf4j(topic = "c.MessageQueue")
class MessageQueue {// 存储消息: 双向队列private final LinkedList<Message> list = new LinkedList<>();// 队列容量private final int capacity;public MessageQueue(int capacity) {this.capacity = capacity;}// 获取消息public Message take() {// 检查队列是否为空synchronized (this.list) {while (list.isEmpty()) {log.debug("队列为空, 消费者线程等待...");try {list.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}// 从队列头部获取消息返回Message message = list.removeFirst();log.debug("消费一条消息 <-- {}", message);list.notifyAll();  // 若队列已满, 消费一条消息时, 应该唤醒putreturn message;}}// 存入消息public void put(Message msg) {synchronized (this.list) {// 检查队列是否已满while (list.size() == capacity) {try {log.debug("队列已满, 生产者线程等待...");list.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}// 将消息加入队列尾部list.addLast(msg);log.debug("生产一条消息 --> {}", msg);list.notifyAll();  // 若队列从空到加入一条新的消息, 应该唤醒take}}
}@Setter
@ToString
@AllArgsConstructor
final class Message {private int id;private Object value;
}

九、 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

package top.onefine.test;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;@Slf4j(topic = "c.TestParkUnpark")
public class TestParkUnpark {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t1 = new Thread(() -> {log.debug("start...");try {TimeUnit.SECONDS.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}log.debug("park...");LockSupport.park();log.debug("resume...");}, "t1");t1.start();TimeUnit.SECONDS.sleep(2);log.debug("unpark...");LockSupport.unpark(t1);}
}

先 unpark 再 park

package top.onefine.test;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;@Slf4j(topic = "c.TestParkUnpark")
public class TestParkUnpark {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t1 = new Thread(() -> {log.debug("start...");try {TimeUnit.SECONDS.sleep(2);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}log.debug("park...");LockSupport.park();  // waitlog.debug("resume...");}, "t1");t1.start();TimeUnit.SECONDS.sleep(1);log.debug("unpark...");LockSupport.unpark(t1);}
}

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

* 原理之 park & unpark

每个线程都有自己的一个 Parker 对象，由三部分组成 _counter ， _cond 和 _mutex 打个比喻

线程就像一个旅人，Parker 就像他随身携带的背包，条件变量就好比背包中的帐篷。_counter 就好比背包中的备用干粮（0 为耗尽，1 为充足）
调用 park 就是要看需不需要停下来歇息
- 如果备用干粮耗尽，那么钻进帐篷歇息
- 如果备用干粮充足，那么不需停留，继续前进
调用 unpark，就好比令干粮充足
- 如果这时线程还在帐篷，就唤醒让他继续前进
- 如果这时线程还在运行，那么下次他调用 park 时，仅是消耗掉备用干粮，不需停留继续前进
  - 因为背包空间有限，多次调用 unpark 仅会补充一份备用干粮

当前线程调用 Unsafe.park() 方法
检查 _counter ，本情况为 0，这时，获得 _mutex 互斥锁
线程进入 _cond 条件变量阻塞
设置 _counter = 0

调用 Unsafe.unpark(Thread_0) 方法，设置 _counter 为 1
唤醒 _cond 条件变量中的 Thread_0
Thread_0 恢复运行
设置 _counter 为 0

调用 Unsafe.unpark(Thread_0) 方法，设置 _counter 为 1
当前线程调用 Unsafe.park() 方法
检查 _counter ，本情况为 1，这时线程无需阻塞，继续运行
设置 _counter 为 0

十、重新理解线程状态转换

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 RUNNABLE --> WAITING
调用 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

package top.onefine.test;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;@Slf4j(topic = "c.TestWaitNotify")
public class TestWaitNotify {final static Object obj = new Object();public static void main(String[] args) throws InterruptedException {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....");  // 断点}}, "t1").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....");  // 断点}}, "t2").start();// 主线程两秒后执行Thread.sleep(2000);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 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() ， t.interrupt() 时
- 竞争锁成功，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.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 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 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

十一、多把锁

多把不相干的锁

一间大屋子有两个功能：睡觉、学习，互不相干。

现在小南要学习，小女要睡觉，但如果只用一间屋子（一个对象锁）的话，那么并发度很低

例如

package top.onefine.test;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;import java.util.concurrent.TimeUnit;@Slf4j(topic = "c.TestMultiLock")
public class TestMultiLock {public static void main(String[] args) {BigRoom bigRoom = new BigRoom();new Thread(() -> {try {bigRoom.study();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}, "小南").start();new Thread(() -> {try {bigRoom.sleep();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}, "小女").start();}
}@Slf4j(topic = "c.BigRoom")
class BigRoom {public void sleep() throws InterruptedException {synchronized (this) {log.debug("sleeping 2 小时");TimeUnit.SECONDS.sleep(2);}}public void study() throws InterruptedException {synchronized (this) {log.debug("study 1 小时");TimeUnit.SECONDS.sleep(1);}}
}

某次结果

改进，解决方法是准备多个房间（多个对象锁）

package top.onefine.test;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;import java.util.concurrent.TimeUnit;@Slf4j(topic = "c.TestMultiLock")
public class TestMultiLock {public static void main(String[] args) {BigRoom bigRoom = new BigRoom();new Thread(bigRoom::study, "小南").start();new Thread(bigRoom::sleep, "小女").start();}
}@Slf4j(topic = "c.BigRoom")
class BigRoom {private final Object studyRoom = new Object();private final Object bedRoom = new Object();public void sleep() {synchronized (bedRoom) {log.debug("sleeping 2 小时");try {TimeUnit.SECONDS.sleep(2);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}public void study() {synchronized (studyRoom) {log.debug("study 1 小时");try {TimeUnit.SECONDS.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}
}

某次执行结果

将锁的粒度细分

好处，是可以增强并发度

坏处，如果一个线程需要同时获得多把锁，就容易发生死锁

十二、活跃性

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：

package top.onefine.test;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;import static java.lang.Thread.sleep;@Slf4j(topic = "c.TestDeadLock")
public class TestDeadLock {public static void main(String[] args) {Object A = new Object();Object B = new Object();Thread t1 = new Thread(() -> {synchronized (A) {log.debug("lock A");try {sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}synchronized (B) {log.debug("lock B");log.debug("操作...");}}}, "t1");Thread t2 = new Thread(() -> {synchronized (B) {log.debug("lock B");try {sleep(500);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}synchronized (A) {log.debug("lock A");log.debug("操作...");}}}, "t2");t1.start();t2.start();}
}

结果

定位死锁

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：

cmd> jps
20544
11864 Jps
20812 TestDeadLock // JVM进程
21644 GradleDaemoncmd>

cmd> jps
20544
11864 Jps
20812 TestDeadLock
21644 GradleDaemonC:\Users\onefine>jstack 20812
2021-08-28 16:43:05
Full thread dump Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (25.281-b09 mixed mode):"DestroyJavaVM" #21 prio=5 os_prio=0 tid=0x0000021c92cc2000 nid=0x3c78 waiting on condition [0x0000000000000000]java.lang.Thread.State: RUNNABLE"t2" #20 prio=5 os_prio=0 tid=0x0000021cb0eb5000 nid=0x6ab8 waiting for monitor entry [0x000000feff3ff000]java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)at top.onefine.test.TestDeadLock.lambda$main$1(TestDeadLock.java:38)- waiting to lock <0x000000076ca6c520> (a java.lang.Object)- locked <0x000000076ca6c530> (a java.lang.Object)at top.onefine.test.TestDeadLock$$Lambda$2/846063400.run(Unknown Source)at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)"t1" #19 prio=5 os_prio=0 tid=0x0000021cb0eb0000 nid=0x2c0c waiting for monitor entry [0x000000feff2fe000]java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)at top.onefine.test.TestDeadLock.lambda$main$0(TestDeadLock.java:23)- waiting to lock <0x000000076ca6c530> (a java.lang.Object)- locked <0x000000076ca6c520> (a java.lang.Object)at top.onefine.test.TestDeadLock$$Lambda$1/564160838.run(Unknown Source)at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)"Service Thread" #18 daemon prio=9 os_prio=0 tid=0x0000021cb07b7800 nid=0x6c48 runnable [0x0000000000000000]java.lang.Thread.State: RUNNABLE"C1 CompilerThread11" #17 daemon prio=9 os_prio=2 tid=0x0000021cb073b000 nid=0x552c waiting on condition [0x0000000000000000]java.lang.Thread.State: RUNNABLE"C1 CompilerThread10" #16 daemon prio=9 os_prio=2 tid=0x0000021cb073d800 nid=0x4994 waiting on condition [0x0000000000000000]java.lang.Thread.State: RUNNABLE"C1 CompilerThread9" #15 daemon prio=9 os_prio=2 tid=0x0000021cb073c800 nid=0x6e00 waiting on condition [0x0000000000000000]java.lang.Thread.State: RUNNABLE"C1 CompilerThread8" #14 daemon prio=9 os_prio=2 tid=0x0000021cb073f000 nid=0x5fa4 waiting on condition [0x0000000000000000]java.lang.Thread.State: RUNNABLE"C2 CompilerThread7" #13 daemon prio=9 os_prio=2 tid=0x0000021cb073c000 nid=0x62e4 waiting on condition [0x0000000000000000]java.lang.Thread.State: RUNNABLE"C2 CompilerThread6" #12 daemon prio=9 os_prio=2 tid=0x0000021cb073e000 nid=0x3658 waiting on condition [0x0000000000000000]java.lang.Thread.State: RUNNABLE"C2 CompilerThread5" #11 daemon prio=9 os_prio=2 tid=0x0000021cb0722800 nid=0x3b34 waiting on condition [0x0000000000000000]java.lang.Thread.State: RUNNABLE"C2 CompilerThread4" #10 daemon prio=9 os_prio=2 tid=0x0000021cb0701800 nid=0x334c waiting on condition [0x0000000000000000]java.lang.Thread.State: RUNNABLE"C2 CompilerThread3" #9 daemon prio=9 os_prio=2 tid=0x0000021cb06ff800 nid=0x6960 waiting on condition [0x0000000000000000]java.lang.Thread.State: RUNNABLE"C2 CompilerThread2" #8 daemon prio=9 os_prio=2 tid=0x0000021cb06fc800 nid=0x55cc waiting on condition [0x0000000000000000]java.lang.Thread.State: RUNNABLE"C2 CompilerThread1" #7 daemon prio=9 os_prio=2 tid=0x0000021cb06f8800 nid=0x1228 waiting on condition [0x0000000000000000]java.lang.Thread.State: RUNNABLE"C2 CompilerThread0" #6 daemon prio=9 os_prio=2 tid=0x0000021cb06f7000 nid=0x664 waiting on condition [0x0000000000000000]java.lang.Thread.State: RUNNABLE"Attach Listener" #5 daemon prio=5 os_prio=2 tid=0x0000021cb069f000 nid=0x4398 waiting on condition [0x0000000000000000]   java.lang.Thread.State: RUNNABLE"Signal Dispatcher" #4 daemon prio=9 os_prio=2 tid=0x0000021cb06f4000 nid=0x5620 runnable [0x0000000000000000]java.lang.Thread.State: RUNNABLE"Finalizer" #3 daemon prio=8 os_prio=1 tid=0x0000021cad9ac000 nid=0x1ec8 in Object.wait() [0x000000fefe1ff000]java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)at java.lang.Object.wait(Native Method)- waiting on <0x000000076be08ee0> (a java.lang.ref.ReferenceQueue$Lock)at java.lang.ref.ReferenceQueue.remove(ReferenceQueue.java:144)- locked <0x000000076be08ee0> (a java.lang.ref.ReferenceQueue$Lock)at java.lang.ref.ReferenceQueue.remove(ReferenceQueue.java:165)at java.lang.ref.Finalizer$FinalizerThread.run(Finalizer.java:216)"Reference Handler" #2 daemon prio=10 os_prio=2 tid=0x0000021cad9a2800 nid=0x63a0 in Object.wait() [0x000000fefe0ff000]java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)at java.lang.Object.wait(Native Method)- waiting on <0x000000076be06c00> (a java.lang.ref.Reference$Lock)at java.lang.Object.wait(Object.java:502)at java.lang.ref.Reference.tryHandlePending(Reference.java:191)- locked <0x000000076be06c00> (a java.lang.ref.Reference$Lock)at java.lang.ref.Reference$ReferenceHandler.run(Reference.java:153)"VM Thread" os_prio=2 tid=0x0000021cad97b000 nid=0x14d4 runnable"GC task thread#0 (ParallelGC)" os_prio=0 tid=0x0000021c92cdb800 nid=0x5ed0 runnable"GC task thread#1 (ParallelGC)" os_prio=0 tid=0x0000021c92cdd000 nid=0x2040 runnable"GC task thread#2 (ParallelGC)" os_prio=0 tid=0x0000021c92cde800 nid=0x6dc runnable"GC task thread#3 (ParallelGC)" os_prio=0 tid=0x0000021c92cdf800 nid=0x5b6c runnable"GC task thread#4 (ParallelGC)" os_prio=0 tid=0x0000021c92ce1800 nid=0x3544 runnable"GC task thread#5 (ParallelGC)" os_prio=0 tid=0x0000021c92ce2800 nid=0x6128 runnable"GC task thread#6 (ParallelGC)" os_prio=0 tid=0x0000021c92ce5800 nid=0x61fc runnable"GC task thread#7 (ParallelGC)" os_prio=0 tid=0x0000021c92ce6800 nid=0x23e0 runnable"GC task thread#8 (ParallelGC)" os_prio=0 tid=0x0000021c92ce7800 nid=0x6f34 runnable"GC task thread#9 (ParallelGC)" os_prio=0 tid=0x0000021c92ce8800 nid=0x4c98 runnable"GC task thread#10 (ParallelGC)" os_prio=0 tid=0x0000021c92ce9800 nid=0x10a0 runnable"GC task thread#11 (ParallelGC)" os_prio=0 tid=0x0000021c92cec800 nid=0x679c runnable"GC task thread#12 (ParallelGC)" os_prio=0 tid=0x0000021c92ced000 nid=0x6a74 runnable"VM Periodic Task Thread" os_prio=2 tid=0x0000021cb07bb000 nid=0x44f4 waiting on conditionJNI global references: 309Found one Java-level deadlock:
=============================
"t2":waiting to lock monitor 0x0000021cad9a9098 (object 0x000000076ca6c520, a java.lang.Object),which is held by "t1"
"t1":waiting to lock monitor 0x0000021cad9ab458 (object 0x000000076ca6c530, a java.lang.Object),which is held by "t2"Java stack information for the threads listed above:
===================================================
"t2":at top.onefine.test.TestDeadLock.lambda$main$1(TestDeadLock.java:38)- waiting to lock <0x000000076ca6c520> (a java.lang.Object)- locked <0x000000076ca6c530> (a java.lang.Object)at top.onefine.test.TestDeadLock$$Lambda$2/846063400.run(Unknown Source)at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
"t1":at top.onefine.test.TestDeadLock.lambda$main$0(TestDeadLock.java:23)- waiting to lock <0x000000076ca6c530> (a java.lang.Object)- locked <0x000000076ca6c520> (a java.lang.Object)at top.onefine.test.TestDeadLock$$Lambda$1/564160838.run(Unknown Source)at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)Found 1 deadlock.cmd>

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

有五位哲学家，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

package top.onefine.test;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;import java.util.concurrent.TimeUnit;/*** 哲学家就餐问题*/
public class TestDeadLock2 {// 就餐public static void main(String[] args) {Chopstick c1 = new Chopstick("1");Chopstick c2 = new Chopstick("2");Chopstick c3 = new Chopstick("3");Chopstick c4 = new Chopstick("4");Chopstick c5 = new Chopstick("5");new Philosopher("苏格拉底", c1, c2).start();new Philosopher("柏拉图", c2, c3).start();new Philosopher("亚里士多德", c3, c4).start();new Philosopher("赫拉克利特", c4, c5).start();new Philosopher("阿基米德", c5, c1).start();}
}// 筷子类
class Chopstick {String name;public Chopstick(String name) {this.name = name;}@Overridepublic String toString() {return "筷子{" + name + '}';}
}// 哲学家类
@Slf4j(topic = "c.Philosopher")
class Philosopher extends Thread {private final Chopstick left;private final Chopstick right;public Philosopher(String name, Chopstick left, Chopstick right) {super(name);this.left = left;this.right = right;}private void eat() {log.debug("eating... [{}, {}]", left, right);// 吃累了, 休息一会try {TimeUnit.SECONDS.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}@Overridepublic 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}}
}

执行不多会，就执行不下去了

使用 jconsole 检测死锁，发现

这种线程没有按预期结束，执行不下去的情况，归类为【活跃性】问题，除了死锁以外，还有活锁和饥饿者两种情况

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

package top.onefine.test;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;@Slf4j(topic = "c.TestLiveLock")
public class TestLiveLock {private static volatile int count = 10;private static final Object lock = new Object();public static void main(String[] args) {new Thread(() -> {// 期望减到 0 退出循环while (count > 0) {try {Thread.sleep(200);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}count--;log.debug("count: {}", count);}}, "t1").start();new Thread(() -> {// 期望超过 20 退出循环while (count < 20) {try {Thread.sleep(200);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}count++;log.debug("count: {}", count);}}, "t2").start();}
}

解决：可以添加随机的线程睡眠时间避免活锁

饥饿

很多教程中把饥饿定义为，一个线程由于优先级太低，始终得不到 CPU 调度执行，也不能够结束，饥饿的情况不易演示，讲读写锁时会涉及饥饿问题

下面我讲一下我遇到的一个线程饥饿的例子，先来看看使用顺序加锁的方式解决之前的死锁问题

顺序加锁的解决方案

注意：使用顺序加锁的方式可能会导致线程饥饿。

public static void main(String[] args) {Chopstick c1 = new Chopstick("1");Chopstick c2 = new Chopstick("2");Chopstick c3 = new Chopstick("3");Chopstick c4 = new Chopstick("4");Chopstick c5 = new Chopstick("5");new Philosopher("苏格拉底", c1, c2).start();new Philosopher("柏拉图", c2, c3).start();new Philosopher("亚里士多德", c3, c4).start();new Philosopher("赫拉克利特", c4, c5).start();new Philosopher("阿基米德", c1, c5).start();  // 顺序加锁}

十三、 ReentrantLock

相对于 synchronized 它具备如下特点

可中断
可以设置超时时间
可以设置为公平锁（先进先出，防止线程饥饿）
支持多个条件变量

与 synchronized 一样，都支持可重入（定义详下）

基本语法

// 获取锁
reentrantLock.lock();  // 放入try中效果一样，无区别
try {// 临界区
} finally {// 释放锁reentrantLock.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

package top.onefine.test;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;@Slf4j(topic = "c.Test22")
public class Test22 {private static final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();public static void main(String[] args) {method1();}public static void method1() {lock.lock();try {log.debug("execute method1...");method2();} finally {lock.unlock();}}public static void method2() {lock.lock();try {log.debug("execute method2...");method3();} finally {lock.unlock();}}public static void method3() {lock.lock();try {log.debug("execute method3...");} finally {lock.unlock();}}
}

输出

可打断

示例

package top.onefine.test;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;@Slf4j(topic = "c.Test22_1")
public class Test22_1 {private static final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();public static void main(String[] args) {Thread t1 = new Thread(() -> {log.debug("t1线程启动, 尝试获取锁...");try {// 若有竞争该线程就会进入阻塞队列, 可以被其他线程用interrupt方法打断, 抛出异常// 若无竞争就会获取lock对象锁lock.lockInterruptibly();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();log.debug("t1线程等锁的过程中被打断; 没有获得锁, 直接返回.");return;}try {log.debug("t1线程获得了锁...");} finally {lock.unlock();  // 释放锁}}, "t1");lock.lock();log.debug("主线程获得了锁...");t1.start();try {TimeUnit.SECONDS.sleep(1);log.debug("执行打断t1线程操作...");t1.interrupt();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}}}

输出

注意如果是不可中断模式，那么即使使用了 interrupt 也不会让等待中断

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();Thread t1 = new Thread(() -> {log.debug("启动...");lock.lock();try {log.debug("获得了锁");} finally {lock.unlock();}
}, "t1");lock.lock();
log.debug("获得了锁");
t1.start();
try {sleep(1);t1.interrupt();log.debug("执行打断");sleep(1);
} finally {log.debug("释放了锁");lock.unlock();
}

输出

锁超时

立刻失败

package top.onefine.test;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;@Slf4j(topic = "c.Test22_2")
public class Test22_2 {private static final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();public static void main(String[] args) {Thread t1 = new Thread(() -> {log.debug("t1线程启动...");if (!lock.tryLock()) {log.debug("t1线程获取锁立刻失败，返回");return;}try {log.debug("t1线程获得了锁...");} finally {lock.unlock();}}, "t1");lock.lock();log.debug("main线程获得了锁...");t1.start();try {try {TimeUnit.SECONDS.sleep(2);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}} finally {lock.unlock();}}}

输出

超时失败

package top.onefine.test;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;@Slf4j(topic = "c.Test22_3")
public class Test22_3 {private static final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();public static void main(String[] args) {Thread t1 = new Thread(() -> {log.debug("t1线程启动...");try {if (!lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {log.debug("t1线程获取锁立刻失败，返回");return;}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();log.debug("t1线程获取锁立刻失败且被打断，返回");return;}try {log.debug("t1线程获得了锁...");} finally {lock.unlock();}}, "t1");lock.lock();log.debug("main线程获得了锁...");t1.start();try {try {TimeUnit.SECONDS.sleep(3);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}} finally {lock.unlock();}}}

输出

使用 tryLock 解决哲学家就餐问题

package top.onefine.test;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;/*** 哲学家就餐问题*/
public class Test23 {// 就餐public static void main(String[] args) {Chopstick c1 = new Chopstick("1");Chopstick c2 = new Chopstick("2");Chopstick c3 = new Chopstick("3");Chopstick c4 = new Chopstick("4");Chopstick c5 = new Chopstick("5");new Philosopher("苏格拉底", c1, c2).start();new Philosopher("柏拉图", c2, c3).start();new Philosopher("亚里士多德", c3, c4).start();new Philosopher("赫拉克利特", c4, c5).start();new Philosopher("阿基米德", c5, c1).start();}
}// 筷子类, 这里继承了ReentrantLock
class Chopstick extends ReentrantLock {String name;public Chopstick(String name) {this.name = name;}@Overridepublic String toString() {return "筷子{" + name + '}';}
}// 哲学家类
@Slf4j(topic = "c.Philosopher")
class Philosopher extends Thread {private final Chopstick left;private final Chopstick right;public Philosopher(String name, Chopstick left, Chopstick right) {super(name);this.left = left;this.right = right;}private void eat() {log.debug("eating... [{}, {}]", left, right);// 吃累了, 休息一会try {TimeUnit.SECONDS.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}@Overridepublic 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if (left.tryLock()) {  // 获得左手筷子try {if (right.tryLock()) {  // 获得右手筷子try {// 吃饭eat();} finally {right.unlock();  // 放下右手筷子}}} finally {left.unlock();  // 放下左手筷子}}}}
}

公平锁

ReentrantLock 默认是不公平的，【synchronized也是不公平的】

公平：安装进入阻塞队列的顺序，先进入先获得锁【公平】，而不是随机获得锁【不公平】

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(false);lock.lock();
for (int i = 0; i < 500; i++) {new Thread(() -> {lock.lock();try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " running...");} finally {lock.unlock();}}, "t" + i).start();
}// 1s 之后去争抢锁
Thread.sleep(1000);
new Thread(() -> {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " start...");lock.lock();try {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " running...");} finally {lock.unlock();}
}, "强行插入").start();
lock.unlock();

强行插入，有机会在中间输出

注意：该实验不一定总能复现

t39 running...
t40 running...
t41 running...
t42 running...
t43 running...
强行插入 start...
强行插入 running...
t44 running...
t45 running...
t46 running...
t47 running...
t49 running...

改为公平锁后

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);

强行插入，总是在最后输出

t465 running...
t464 running...
t477 running...
t442 running...
t468 running...
t493 running...
t482 running...
t485 running...
t481 running...
强行插入 running...

公平锁一般没有必要，会降低并发度，后面分析原理时会讲解

条件变量

synchronized 中也有条件变量，就是我们讲原理时那个 waitSet 休息室，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的，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

例子：

package top.onefine.test;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;@Slf4j(topic = "c.Test24")
public class Test24 {// lock-创建房间, 房间中包含休息室private final static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();// 创建条件变量（休息室）private final static Condition waitCigaretteQueue = lock.newCondition();private final static Condition waitBreakfastQueue = lock.newCondition();private static volatile boolean hasCigarette = false;private static volatile boolean hasBreakfast = false;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {new Thread(() -> {try {lock.lock();while (!hasCigarette) {  // 防止虚假唤醒try {// 进入指定休息室等待log.debug("等待中...");waitCigaretteQueue.await();  // 阻塞, 直到被唤醒log.debug("结束等待...");} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}log.debug("等到了它的烟");} finally {lock.unlock();}}).start();new Thread(() -> {try {lock.lock();while (!hasBreakfast) {try {log.debug("等待中...");waitBreakfastQueue.await();log.debug("结束等待...");} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}log.debug("等到了它的早餐");} finally {lock.unlock();}}).start();TimeUnit.SECONDS.sleep(1);sendBreakfast();TimeUnit.SECONDS.sleep(1);sendCigarette();}private static void sendCigarette() {lock.lock();try {log.debug("送烟来了");hasCigarette = true;waitCigaretteQueue.signal();  // 唤醒} finally {lock.unlock();}}private static void sendBreakfast() {lock.lock();try {log.debug("送早餐来了");hasBreakfast = true;waitBreakfastQueue.signal();  // 唤醒} finally {lock.unlock();}}
}

输出

* 同步模式之顺序控制

1. 固定运行顺序

比如，必须先 2 后 1 打印

1.1 wait notify 版

package top.onefine.test;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;@Slf4j(topic = "c.Test25")
public class Test25 {// 用来同步的对象private static final Object obj = new Object();// t2 运行标记， 代表 t2 是否执行过static boolean t2Ruined = false;public static void main(String[] args) {Thread t1 = new Thread(() -> {synchronized (obj) {// 如果 t2 没有执行过while (!t2Ruined) {try {// t1 先等一会obj.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}System.out.println(1);});Thread t2 = new Thread(() -> {System.out.println(2);synchronized (obj) {// 修改运行标记t2Ruined = true;// 通知 obj 上等待的线程（可能有多个，因此需要用 notifyAll）obj.notifyAll();}});t1.start();t2.start();}
}

1.2 Park Unpark 版

可以看到，实现上很麻烦：

首先，需要保证先 wait 再 notify，否则 wait 线程永远得不到唤醒。因此使用了『运行标记』来判断该不该wait
第二，如果有些干扰线程错误地 notify 了 wait 线程，条件不满足时还要重新等待，使用了 while 循环来解决此问题
最后，唤醒对象上的 wait 线程需要使用 notifyAll，因为『同步对象』上的等待线程可能不止一个

可以使用 LockSupport 类的 park 和 unpark 来简化上面的题目：

package top.onefine.test;import java.util.concurrent.locks.LockSupport;public class Test26 {public static void main(String[] args) {Thread t1 = new Thread(() -> {// 当没有『许可』时，当前线程暂停运行；有『许可』时，用掉这个『许可』，当前线程恢复运行LockSupport.park();System.out.println("1");});Thread t2 = new Thread(() -> {System.out.println("2");// 给线程 t1 发放『许可』（多次连续调用 unpark 只会发放一个『许可』）LockSupport.unpark(t1);});t1.start();t2.start();}
}

park 和 unpark 方法比较灵活，他俩谁先调用，谁后调用无所谓。并且是以线程为单位进行『暂停』和『恢复』，不需要『同步对象』和『运行标记』

2. 交替输出

线程 1 输出 a 5 次，线程 2 输出 b 5 次，线程 3 输出 c 5 次。现在要求输出 abcabcabcabcabc 怎么实现

2.1 wait notify 版

package top.onefine.test;public class Test27 {public static void main(String[] args) {SyncWaitNotify syncWaitNotify = new SyncWaitNotify(1, 5);new Thread(() -> syncWaitNotify.print(1, 2, "a")).start();new Thread(() -> syncWaitNotify.print(2, 3, "b")).start();new Thread(() -> syncWaitNotify.print(3, 1, "c")).start();}
}/*** 输出内容     等待标记    下一个标记* a            1           2* b            2           3* c            3           1*/
class SyncWaitNotify {private int flag;private final int loopNumber;/*** @param flag       等待标记* @param loopNumber 循环次数*/public SyncWaitNotify(int flag, int loopNumber) {this.flag = flag;this.loopNumber = loopNumber;}/*** 打印** @param waitFlag 等待标记* @param nextFlag 下一个标记* @param str      输入的打印内容*/public void print(int waitFlag, int nextFlag, String str) {for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {synchronized (this) {while (this.flag != waitFlag) {  // 防止虚假唤醒try {this.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.print(str);flag = nextFlag;this.notifyAll();}}}
}

2.2 Lock 条件变量版

package top.onefine.test;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class Test28 {public static void main(String[] args) {AwaitSignal as = new AwaitSignal(5);Condition aWaitSet = as.newCondition();Condition bWaitSet = as.newCondition();Condition cWaitSet = as.newCondition();new Thread(() -> as.print("a", aWaitSet, bWaitSet)).start();new Thread(() -> as.print("b", bWaitSet, cWaitSet)).start();new Thread(() -> as.print("c", cWaitSet, aWaitSet)).start();as.start(aWaitSet);}
}@Slf4j(topic = "c.AwaitSignal")
class AwaitSignal extends ReentrantLock {// 循环次数private final int loopNumber;public AwaitSignal(int loopNumber) {this.loopNumber = loopNumber;}/*** @param first 第一间休息室*/public void start(Condition first) {this.lock();try {log.debug("start");first.signal();  // 叫醒第一间休息室的线程} finally {this.unlock();}}/*** 打印** @param str     打印内容* @param current 当前进入的休息室* @param next    下一间休息室*/public void print(String str, Condition current, Condition next) {for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {this.lock();  // 加锁try {current.await();  // 该线程进入当前休息室System.out.print(str);next.signal();  // 唤醒下一个休息室中的线程} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();} finally {this.unlock();  // 释放锁}}}}

注意
该实现没有考虑 a，b，c 线程都就绪再开始

2.3 Park Unpark 版

package top.onefine.test;import java.util.concurrent.locks.LockSupport;public class Test29 {public static void main(String[] args) {SyncPark syncPark = new SyncPark(5);Thread t1 = new Thread(() -> syncPark.print("a"));Thread t2 = new Thread(() -> syncPark.print("b"));Thread t3 = new Thread(() -> syncPark.print("c"));syncPark.setThreads(t1, t2, t3);syncPark.start();}
}class SyncPark {private final int loopNumber;private Thread[] threads;public SyncPark(int loopNumber) {this.loopNumber = loopNumber;}public void setThreads(Thread... threads) {this.threads = threads;}public void print(String str) {for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {LockSupport.park();System.out.print(str);LockSupport.unpark(nextThread());}}// 寻找下一个线程private Thread nextThread() {Thread current = Thread.currentThread();int index = 0;for (int i = 0; i < threads.length; i++) {if (threads[i] == current) {index = i;  // 得到当前线程的下标break;}}if (index < threads.length - 1) {return threads[index + 1];  // 下一个线程} else {return threads[0];  // 第一个线程}}public void start() {for (Thread thread : threads) {thread.start();}LockSupport.unpark(threads[0]);}
}

本章小结

本章我们需要重点掌握的是

分析多线程访问共享资源时，哪些代码片段属于临界区
使用 synchronized 互斥解决临界区的线程安全问题
- 掌握 synchronized 锁对象语法
- 掌握 synchronzied 加载成员方法和静态方法语法
- 掌握 wait/notify 同步方法
使用 lock 互斥解决临界区的线程安全问题
- 掌握 lock 的使用细节：可打断、锁超时、公平锁、条件变量
学会分析变量的线程安全性、掌握常见线程安全类的使用
了解线程活跃性问题：死锁、活锁、饥饿
应用方面
- 互斥：使用 synchronized 或 Lock 达到共享资源互斥效果
- 同步：使用 wait/notify 或 Lock 的条件变量来达到线程间通信效果
原理方面
- monitor、synchronized 、wait/notify 原理
- synchronized 进阶原理
- park & unpark 原理
模式方面
- 同步模式之保护性暂停
- 异步模式之生产者消费者
- 同步模式之顺序控制