前段時間花了大量時間去研讀JUC中同步器AbstractQueuedSynchronizer
的源碼實現,再結合好久以前看過的一篇關於Object
提供的等待和喚醒機制的JVM實現,發現二者有很多的關聯,因而決定從新研讀一下Object
中提供的阻塞和喚醒方法。本文閱讀JDK類庫源碼使用的JDK版本是JDK11,由於本文內容可能不適合於其餘版本。java
java.lang.Object
做爲全部非基本類型的基類,也就是說全部java.lang.Object
的子類都具有阻塞和喚醒的功能。下面詳細分析Object
提供的阻塞和喚醒API。算法
等待-wait()
方法提供了阻塞的功能,分超時和永久阻塞的版本,實際上,底層只提供了一個JNI方法:數據結構
// 這個是底層提供的JNI方法,帶超時的阻塞等待,響應中斷,其餘兩個只是變體
public final native void wait(long timeoutMillis) throws InterruptedException;
// 變體方法1,永久阻塞,響應中斷
public final void wait() throws InterruptedException {
wait(0L);
}
// 變體方法2,帶超時的阻塞,超時時間分兩段:毫秒和納秒,實際上納秒大於0直接毫秒加1(這麼暴力...),響應中斷
public final void wait(long timeoutMillis, int nanos) throws InterruptedException {
if (timeoutMillis < 0) {
throw new IllegalArgumentException("timeoutMillis value is negative");
}
if (nanos < 0 || nanos > 999999) {
throw new IllegalArgumentException("nanosecond timeout value out of range");
}
if (nanos > 0) {
timeoutMillis++;
}
wait(timeoutMillis);
}
複製代碼
也就是隻有一個wait(long timeoutMillis)
方法是JNI接口,其餘兩個方法至關於:併發
wait()
等價於wait(0L)
。wait(long timeoutMillis, int nanos)
在參數合法的狀況下等價於wait(timeoutMillis + 1L)
。因爲wait(long timeoutMillis, int nanos)
是參數最完整的方法,它的API註釋特別長,這裏直接翻譯和摘取它註釋中的核心要素:dom
wait()
方法以後,當前線程會把自身放到當前對象的等待集合(wait-set),而後釋放全部在此對象上的同步聲明(then to relinquish any nd all synchronization claims on this object),謹記只有當前對象上的同步聲明會被釋放,當前線程在其餘對象上的同步鎖只有在調用其wait()
方法以後纔會釋放。notify()
或者中斷)就會從等待集合(wait-set)中移除而且從新容許被線程調度器調度。一般狀況下,這個被喚醒的線程會與其餘線程競爭對象上的同步權(鎖),一旦線程從新控制了對象(regained control of the object),它對對象的全部同步聲明都恢復到之前的狀態,即恢復到調用wait()
方法時(筆者認爲,其實準確來講,是調用wait()
方法前)的狀態。wait()
以前,或者調用過wait()
方法以後處於阻塞等待狀態,一旦線程調用了Thread#interrupt()
,線程就會中斷而且拋出InterruptedException
異常,線程的中斷狀態會被清除。InterruptedException
異常會延遲到在第4點提到"它對對象的全部同步聲明都恢復到之前的狀態"的時候拋出。值得注意的還有:數據結構和算法
一個線程必須成爲此對象的監視器鎖的擁有者才能正常調用wait()
系列方法,也就是wait()
系列方法必須在同步代碼塊(synchronized
代碼塊)中調用,不然會拋出IllegalMonitorStateException
異常,這一點是初學者或者不瞭解wait()
的機制的開發者常常會犯的問題。ide
上面的五點描述能夠寫個簡單的同步代碼塊僞代碼時序總結一下:源碼分析
final Object lock = new Object();
synchronized(lock){
1、線程進入同步代碼塊,意味着獲取對象監視器鎖成功
while(!condition){
lock.wait(); 2.線程調用wait()進行阻塞等待
break;
}
3.線程從wait()的阻塞等待中被喚醒,恢復到第1步以後的同步狀態
4.繼續執行後面的代碼,直到離開同步代碼塊
}
複製代碼
notify()
方法的方法簽名以下:ui
@HotSpotIntrinsicCandidate
public final native void notify();
複製代碼
下面按照慣例翻譯一下其API註釋:this
wait()
方法才能阻塞在對象監視器上。notify()
方法的線程)釋放對象上的鎖。被喚醒的線程會與其餘線程競爭在對象上進行同步(換言之只有得到對象的同步控制權才能繼續執行),在成爲下一個鎖定此對象的線程時,被喚醒的線程沒有可靠的特權或劣勢。IllegalMonitorStateException
異常。notifyAll()
方法的方法簽名以下:
@HotSpotIntrinsicCandidate
public final native void notifyAll();
複製代碼
1.喚醒全部阻塞等待在此對象監視器上的線程,一個線程經過調用wait()
方法才能阻塞在對象監視器上。
其餘註釋的描述和notify()
方法相似。
咱們常常看到的資料中提到synchronized
關鍵字的用法:
Class
對象。對於同步代碼塊而言,synchronized
關鍵字抽象到字節碼層面就是同步代碼塊中的字節碼執行在monitorenter
和monitorexit
指令之間:
synchronized(xxxx){
...coding block
}
↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓
monitorenter;
...coding block - bytecode
monitorexit;
複製代碼
JVM須要保證每個monitorenter都有一個monitorexit與之相對應。任何對象都有一個monitor(其實是ObjectMonitor
)與之相關聯,當且一個monitor被持有以後,它將處於鎖定狀態。線程執行到monitorenter指令時,將會嘗試獲取對象所對應的monitor全部權,即嘗試獲取對象的鎖。
對於同步(靜態)方法而言,synchronized
方法則會被翻譯成普通的方法調用和返回指令,如:invokevirtual
等等,在JVM字節碼層面並無任何特別的指令來實現被synchronized
修飾的方法,而是在Class
文件的方法表中將該方法的access_flags
字段中的synchronized
標誌位置1,表示該方法是同步方法並使用調用該方法的對象或該方法所屬的Class
在JVM的內部對象表示Klass
作爲鎖對象。
其實從開發者角度簡單理解,這兩種方式只是在獲取鎖的時機有所不一樣。
下面重複闡述幾個第一眼看起來不合理倒是事實的問題(其實前文已經說起過):
synchronized
方法或者代碼塊,至關於獲取監視器鎖成功,若是此時成功調用wait()
系列方法,那麼它會當即釋放監視器鎖,而且添加到等待集合(Wait Set)中進行阻塞等待。synchronized
方法或者代碼塊以後,它能夠調用notify(All)
方法喚醒等待集合中正在阻塞的線程,可是這個喚醒操做並非調用notify(All)
方法後當即生效,而是在該線程退出synchronized
方法或者代碼塊以後才生效。wait()
方法阻塞過程當中被喚醒的線程會競爭監視器目標對象的控制權,一旦從新控制了對象,那麼線程的同步狀態就會恢復到步入synchronized
方法或者代碼塊時候的狀態(也就是成功獲取到對象監視器鎖時候的狀態),這個時候線程纔可以繼續執行。爲了驗證這三點,能夠寫個簡單的Demo:
public class Lock {
@Getter
private final Object lock = new Object();
}
public class WaitMain {
private static final DateTimeFormatter F = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS");
public static void main(String[] args) throws Exception {
final Lock lock = new Lock();
new Thread(new WaitRunnable(lock), "WaitThread-1").start();
new Thread(new WaitRunnable(lock), "WaitThread-2").start();
Thread.sleep(50);
new Thread(new NotifyRunnable(lock), "NotifyThread").start();
Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
}
@RequiredArgsConstructor
private static class WaitRunnable implements Runnable {
private final Lock lock;
@Override
public void run() {
synchronized (lock) {
System.out.println(String.format("[%s]-線程[%s]獲取鎖成功,準備執行wait方法", F.format(LocalDateTime.now()),
Thread.currentThread().getName()));
while (true) {
try {
lock.wait();
} catch (InterruptedException e) {
//ignore
}
System.out.println(String.format("[%s]-線程[%s]從wait中喚醒,準備exit", F.format(LocalDateTime.now()),
Thread.currentThread().getName()));
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
//ignore
}
break;
}
}
}
}
@RequiredArgsConstructor
private static class NotifyRunnable implements Runnable {
private final Lock lock;
@Override
public void run() {
synchronized (lock) {
System.out.println(String.format("[%s]-線程[%s]獲取鎖成功,準備執行notifyAll方法", F.format(LocalDateTime.now()),
Thread.currentThread().getName()));
lock.notifyAll();
System.out.println(String.format("[%s]-線程[%s]先休眠3000ms", F.format(LocalDateTime.now()),
Thread.currentThread().getName()));
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
//ignore
}
System.out.println(String.format("[%s]-線程[%s]準備exit", F.format(LocalDateTime.now()),
Thread.currentThread().getName()));
}
}
}
}
複製代碼
某個時刻的執行結果以下:
[2019-04-27 23:28:17.617]-線程[WaitThread-1]獲取鎖成功,準備執行wait方法
[2019-04-27 23:28:17.631]-線程[WaitThread-2]獲取鎖成功,準備執行wait方法
[2019-04-27 23:28:17.657]-線程[NotifyThread]獲取鎖成功,準備執行notifyAll方法 <-------- 這一步執行完說明WaitThread已經釋放了鎖
[2019-04-27 23:28:17.657]-線程[NotifyThread]先休眠3000ms
[2019-04-27 23:28:20.658]-線程[NotifyThread]準備exit <------- 這一步後NotifyThread離開同步代碼塊
[2019-04-27 23:28:20.658]-線程[WaitThread-1]從wait中喚醒,準備exit <------- 這一步WaitThread-1解除阻塞
[2019-04-27 23:28:21.160]-線程[WaitThread-2]從wait中喚醒,準備exit <------- 這一步WaitThread-2解除阻塞,注意發生時間在WaitThread-1解除阻塞500ms以後,符合咱們前面提到的第3點
複製代碼
若是結合wait()
和notify()
能夠簡單總結出一個同步代碼塊的僞代碼以下:
final Object lock = new Object();
// 等待
synchronized(lock){
1、線程進入同步代碼塊,意味着獲取對象監視器鎖成功
while(!condition){
lock.wait(); 2.線程調用wait()進行阻塞等待
break;
}
3.線程從wait()的阻塞等待中被喚醒,嘗試恢復第1步以後的同步狀態,並不會立刻生效,直到notify被調用而且調用notify方法的線程已經釋放鎖,同時當前線程須要競爭成功
4.繼續執行後面的代碼,直到離開同步代碼塊
}
// 喚醒
synchronized(lock){
1、線程進入同步代碼塊,意味着獲取對象監視器鎖成功
lock.notify(); 2.喚醒其中一個在對象監視器上等待的線程
3.準備推出同步代碼塊釋放鎖,只有釋放鎖以後第2步纔會生效
}
複製代碼
結合前面分析過的知識點以及參考資料中的文章,從新畫一個圖理解一下對象監視器以及相應阻塞和喚醒API的工做示意過程:
ObjectMonitor
中的_EntryList屬性):存放等待鎖而且處於阻塞狀態的線程。ObjectMonitor
中的_WaitSet屬性):存放處於等待阻塞狀態的線程。ObjectMonitor
中的_owner屬性):指向得到對象監視器的線程,在同一個時刻只能有一個線程被The Owner持有,通俗來看,它就是監視器的控制權。經過Object
提供的阻塞和喚醒機制舉幾個簡單的使用例子。
假設有如下場景:廁所只有一個卡位,廁所維修工修廁所的時候,任何人不能上廁所。當廁所維修工修完廁所的時候,上廁所的人須要"獲得廁所的控制權"才能上廁所。
// 廁所類
public class Toilet {
// 廁所的鎖
private final Object lock = new Object();
private boolean available;
public Object getLock() {
return lock;
}
public void setAvailable(boolean available) {
this.available = available;
}
public boolean getAvailable() {
return available;
}
}
// 廁所維修工
@RequiredArgsConstructor
public class ToiletRepairer implements Runnable {
private static final DateTimeFormatter F = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS");
private final Toilet toilet;
@Override
public void run() {
synchronized (toilet.getLock()) {
System.out.println(String.format("[%s]-廁所維修員獲得了廁所的鎖,維修廁所要用5000ms...", LocalDateTime.now().format(F)));
try {
Thread.sleep(5000);
} catch (Exception e) {
// ignore
}
toilet.setAvailable(true);
toilet.getLock().notifyAll();
System.out.println(String.format("[%s]-廁所維修員維修完畢...", LocalDateTime.now().format(F)));
}
}
}
//上廁所的任務
@RequiredArgsConstructor
public class ToiletTask implements Runnable {
private static final DateTimeFormatter F = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS");
private final Toilet toilet;
private final String name;
private final Random random;
@Override
public void run() {
synchronized (toilet.getLock()) {
System.out.println(String.format("[%s]-%s獲得了廁所的鎖...", LocalDateTime.now().format(F), name));
while (!toilet.getAvailable()) {
try {
toilet.getLock().wait();
} catch (InterruptedException e) {
//ignore
}
int time = random.nextInt(3) + 1;
try {
// 模擬上廁所用時
TimeUnit.SECONDS.sleep(time);
} catch (InterruptedException e) {
//ignore
}
System.out.println(String.format("[%s]-%s上廁所用了%s秒...", LocalDateTime.now().format(F), name, time));
}
}
}
}
// 場景入口
public class Main {
public static void main(String[] args) throws Exception {
Toilet toilet = new Toilet();
Random random = new Random();
Thread toiletRepairer = new Thread(new ToiletRepairer(toilet), "ToiletRepairer");
Thread thread1 = new Thread(new ToiletTask(toilet, "張三", random), "thread-1");
Thread thread2 = new Thread(new ToiletTask(toilet, "李四", random), "thread-2");
Thread thread3 = new Thread(new ToiletTask(toilet, "王五", random), "thread-3");
thread1.start();
thread2.start();
thread3.start();
Thread.sleep(50);
toiletRepairer.start();
Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
}
}
複製代碼
某次執行的結果以下:
[2019-04-29 01:07:25.914]-張三獲得了廁所的鎖...
[2019-04-29 01:07:25.931]-李四獲得了廁所的鎖...
[2019-04-29 01:07:25.931]-王五獲得了廁所的鎖...
[2019-04-29 01:07:25.951]-廁所維修員獲得了廁所的鎖,維修廁所要用5000ms...
[2019-04-29 01:07:30.951]-廁所維修員維修完畢...
[2019-04-29 01:07:32.952]-張三上廁所用了2秒...
[2019-04-29 01:07:35.952]-王五上廁所用了3秒...
[2019-04-29 01:07:37.953]-李四上廁所用了2秒...
複製代碼
實現一個簡單固定容量的阻塞隊列,接口以下:
public interface BlockingQueue<T> {
void put(T value) throws InterruptedException;
T take() throws InterruptedException;
}
複製代碼
其中put(T value)
會阻塞直到隊列中有可用的容量,而take()
方法會阻塞直到有元素投放到隊列中。實現以下:
public class DefaultBlockingQueue<T> implements BlockingQueue<T> {
private Object[] elements;
private final Object notEmpty = new Object();
private final Object notFull = new Object();
private int count;
private int takeIndex;
private int putIndex;
public DefaultBlockingQueue(int capacity) {
this.elements = new Object[capacity];
}
@Override
public void put(T value) throws InterruptedException {
synchronized (notFull) {
while (count == elements.length) {
notFull.wait();
}
}
final Object[] items = this.elements;
items[putIndex] = value;
if (++putIndex == items.length) {
putIndex = 0;
}
count++;
synchronized (notEmpty) {
notEmpty.notify();
}
}
@SuppressWarnings("unchecked")
@Override
public T take() throws InterruptedException {
synchronized (notEmpty) {
while (count == 0) {
notEmpty.wait();
}
}
final Object[] items = this.elements;
T value = (T) items[takeIndex];
items[takeIndex] = null;
if (++takeIndex == items.length) {
takeIndex = 0;
}
count--;
synchronized (notFull) {
notFull.notify();
}
return value;
}
}
複製代碼
場景入口類:
public class Main {
public static void main(String[] args) throws Exception {
BlockingQueue<String> queue = new DefaultBlockingQueue<>(5);
Runnable r = () -> {
while (true) {
try {
String take = queue.take();
System.out.println(String.format("線程%s消費消息-%s", Thread.currentThread().getName(), take));
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
new Thread(r, "thread-1").start();
new Thread(r, "thread-2").start();
IntStream.range(0, 10).forEach(i -> {
try {
queue.put(String.valueOf(i));
} catch (InterruptedException e) {
//ignore
}
});
Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
}
}
複製代碼
某次執行結果以下:
線程thread-1消費消息-0
線程thread-2消費消息-1
線程thread-1消費消息-2
線程thread-2消費消息-3
線程thread-1消費消息-4
線程thread-2消費消息-5
線程thread-1消費消息-6
線程thread-2消費消息-7
線程thread-1消費消息-8
線程thread-2消費消息-9
複製代碼
上面這個例子就是簡單的單生產者-多消費者的模型。
這裏實現一個極度簡陋的固定容量的線程池,功能是:初始化固定數量的活躍線程,阻塞直到有可用的線程用於提交任務。它只有一個接口方法,接口定義以下:
public interface ThreadPool {
void execute(Runnable runnable);
}
複製代碼
具體實現以下:
public class DefaultThreadPool implements ThreadPool {
private final int capacity;
private List<Worker> initWorkers;
private Deque<Worker> availableWorkers;
private Deque<Worker> busyWorkers;
private final Object nextLock = new Object();
public DefaultThreadPool(int capacity) {
this.capacity = capacity;
init(capacity);
}
private void init(int capacity) {
initWorkers = new ArrayList<>(capacity);
availableWorkers = new LinkedList<>();
busyWorkers = new LinkedList<>();
for (int i = 0; i < capacity; i++) {
Worker worker = new Worker();
worker.setName("Worker-" + (i + 1));
worker.setDaemon(true);
initWorkers.add(worker);
}
for (Worker w : initWorkers) {
w.start();
availableWorkers.add(w);
}
}
@Override
public void execute(Runnable runnable) {
if (null == runnable) {
return;
}
synchronized (nextLock) {
while (availableWorkers.size() < 1) {
try {
nextLock.wait(500);
} catch (InterruptedException e) {
//ignore
}
}
Worker worker = availableWorkers.removeFirst();
busyWorkers.add(worker);
worker.run(runnable);
nextLock.notifyAll();
}
}
private void makeAvailable(Worker worker) {
synchronized (nextLock) {
availableWorkers.add(worker);
busyWorkers.remove(worker);
nextLock.notifyAll();
}
}
private class Worker extends Thread {
private final Object lock = new Object();
private Runnable runnable;
private AtomicBoolean run = new AtomicBoolean(true);
private void run(Runnable runnable) {
synchronized (lock) {
if (null != this.runnable) {
throw new IllegalStateException("Already running a Runnable!");
}
this.runnable = runnable;
lock.notifyAll();
}
}
@Override
public void run() {
boolean ran = false;
while (run.get()) {
try {
synchronized (lock) {
while (runnable == null && run.get()) {
lock.wait(500);
}
if (runnable != null) {
ran = true;
runnable.run();
}
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
synchronized (lock) {
runnable = null;
}
if (ran) {
ran = false;
makeAvailable(this);
}
}
}
}
}
}
複製代碼
場景類入口:
public class Main {
private static final DateTimeFormatter F = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS");
public static void main(String[] args) throws Exception{
ThreadPool threadPool = new DefaultThreadPool(2);
threadPool.execute(() -> {
try {
System.out.println(String.format("[%s]-任務一開始執行持續3秒...", LocalDateTime.now().format(F)));
Thread.sleep(3000);
System.out.println(String.format("[%s]-任務一執行結束...", LocalDateTime.now().format(F)));
}catch (Exception e){
//ignore
}
});
threadPool.execute(() -> {
try {
System.out.println(String.format("[%s]-任務二開始執行持續4秒...", LocalDateTime.now().format(F)));
Thread.sleep(4000);
System.out.println(String.format("[%s]-任務二執行結束...", LocalDateTime.now().format(F)));
}catch (Exception e){
//ignore
}
});
threadPool.execute(() -> {
try {
System.out.println(String.format("[%s]-任務三開始執行持續5秒...", LocalDateTime.now().format(F)));
Thread.sleep(5000);
System.out.println(String.format("[%s]-任務三執行結束...", LocalDateTime.now().format(F)));
}catch (Exception e){
//ignore
}
});
Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
}
}
複製代碼
某次執行結果以下:
[2019-04-29 02:07:25.465]-任務二開始執行持續4秒...
[2019-04-29 02:07:25.465]-任務一開始執行持續3秒...
[2019-04-29 02:07:28.486]-任務一執行結束...
[2019-04-29 02:07:28.486]-任務三開始執行持續5秒...
[2019-04-29 02:07:29.486]-任務二執行結束...
[2019-04-29 02:07:33.487]-任務三執行結束...
複製代碼
鑑於筆者C語言學得很差,這裏就沒法深刻分析JVM源碼的實現,只能結合一些現有的資料和本身的理解從新梳理一下Object
提供的阻塞和喚醒機制這些知識點。結合以前看過JUC同步器的源碼,一時醒悟過來,JUC同步器只是在數據結構和算法層面使用Java語言對原來JVM中C語言的阻塞和喚醒機制即Object
提供的那幾個JNI方法進行了一次實現而已。
最後,Object
提供的阻塞等待喚醒機制是JVM實現的(若是特別熟悉C語言能夠經過JVM源碼研究其實現,對於大部分開發者來講是黑箱),除非是特別熟練或者是JDK版本過低還沒有引入JUC包,通常狀況下不該該優先選擇Object
,而應該考慮專門爲併發設計的JUC包中的類庫。
參考資料:
(本文完 c-7-d e-a-20190430)