并发--管程(Monitor)

2021-12-15 本文已影响0人 zhemehao819

共享模型之管程

1、共享带来的问题

线程出现问题的根本原因是因为线程上下文切换，导致线程里的指令没有执行完就切换执行其它线程了。

(1)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--; 
}

(2)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

2、synchronized 解决方案

(1)解决手段

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(blocked)。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

(2)synchronized语法

synchronized(对象) {
    //临界区
}

例：

static int counter = 0; 
//创建一个公共对象，作为对象锁的对象
static final Object room = new Object();

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {    
    Thread t1 = new Thread(() -> {        
    for (int i = 0; i < 5000; i++) {            
        synchronized (room) {     
            counter++;            
         }       
       }    
    }, "t1");

    Thread t2 = new Thread(() -> {       
        for (int i = 0; i < 5000; i++) {         
            synchronized (room) {            
                counter--;          
            }    
        } 
    }, "t2");

    t1.start();    
    t2.start(); 
    t1.join();   
    t2.join();    
    log.debug("{}",counter); 
}

注意：拿到锁的线程2并不是在一个cpu时间片上把所有同步代码块内的代码执行完，而是就算发生上下文切换时切到线程1时，线程1也因为没拿到锁而blocked，锁还是在之前的那个线程2手里，直到执行完synchronized块后释放锁，并唤醒这个锁对象上的阻塞线程，也就是线程1.

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。

(3)synchronized加在方法上

加在成员方法上

public class Demo {
    //在方法上加上synchronized关键字
    public synchronized void test() {

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

        }
    }
}

加在静态方法上

public class Demo {
    //在静态方法上加上synchronized关键字
    public synchronized static void test() {

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

        }
    }
}

3、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（要看该对象是否被共享且被执行了读写操作）
- 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
局部变量是线程安全的——每个方法都在对应线程的栈中创建栈帧，不会被其他线程共享

（1）如果调用的对象被共享，且执行了读写操作，则线程不安全

@Slf4j
public class CodeTest {

    public static void main(String[] args) {
        UnsafeTest unsafeTest = new UnsafeTest();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                unsafeTest.method1();
            }, "t" + i).start();
        }
    }
}

class UnsafeTest {
    List<Integer> list = new ArrayList<>();

    public void method1() {
        for (int i = 0; i < 200; i++) {
            method2();
            method3();
        }
    }

    public void method2() {
        list.add(1);
    }

    public void method3() {
        list.remove(0);
    }
}

首先，存在共享变量list；
其次，ArrayList是非线程安全；
最后，从字节码指令角度分析ArrayList的add操作是分3步的，第一步会获取添加元素的下标 index，第二步对指定的 index 位置添加元素，第三步将 index 往后移。在并发情况下method2和method3均会发生指令交错（上下文切换），导致线程安全问题。

（2）如果是局部变量，则会在堆中创建对应的对象，不会存在线程安全问题。

可以将 list 修改成局部变量，然后将 list 作为引用传入方法中，因为局部变量是每个线程私有的，不会出现共享问题，那么就不会有上述问题了。

class SafeTest {

    public void method1() {
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 200; i++) {
            method2(list);
            method3(list);
        }
    }

    public void method2(List<Integer> list) {
        list.add(1);
    }

    public void method3(List<Integer> list) {
        list.remove(0);
    }
}

思考 private 或 final的重要性

在上诉代码中，其实存在线程安全的问题，因为 method2，method3 方法都是用 public 声明的，如果一个类继承 SafeTest 类，对 method2，method3 方法进行了重写，比如重写 method3 方法，代码如下：

class UnsafeSubTest extends SafeTest {

    @Override
    public void method3(List<Integer> list) {
        new Thread(() -> {
            list.remove(0);
        }).start();
    }
}

可以看到重写的方法中又使用到了线程，当主线程和重写的 method3 方法的线程同时存在，此时 list 就是这两个线程的共享资源了，就会出现线程安全问题，我们可以用 private 访问修饰符解决此问题，代码实现如下：

class SafeTest {
    public final void method1() {
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 200; i++) {
            method2(list);
            method3(list);
        }
    }

    private void method2(List<Integer> list) {
        list.add(1);
    }

    private void method3(List<Integer> list) {
        list.remove(0);
    }
}

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
StringBuﬀer
Random
Vector （List的线程安全实现类）
Hashtable （Hash的线程安全实现类）
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

它们的每个方法是原子的（都被加上了synchronized）
但注意它们多个方法的组合不是原子的，所以可能会出现线程安全问题

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？

这是因为这些方法的返回值都创建了一个新的对象，而不是直接改变String、Integer对象本身。

典型案例分析

@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 1~100
    public static int randomAmount() {
        return random.nextInt(100) + 1;
    }
}

// 账户
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;
    }

    // 转账
    public void transfer(Account target, int amount) {
        synchronized(Account.class) {
            if (this.money >= amount) {
                this.setMoney(this.getMoney() - amount);
                target.setMoney(target.getMoney() + amount);
            }
        }
    }
}

Account中的成员变量money被多个线程访问，存在安全问题。a的余额money同时被线程t1和t2读和写操作。
在transfer方法上加锁操作，如果直接在方法上加synchronized等同于对“this”加锁，那么b.transfer(a, randomAmount())和a.transfer(b, randomAmount())分别锁住的是两个对象（两个锁），此时加锁是无效的。
使用synchronized(Account.class)对类对象加锁，那么两个线程加的就是同一把锁。

4、Monitor 概念

1）Java 对象头（Object Header）

以 32 位虚拟机为例，普通对象的对象头结构如下，其中的 Klass Word 为指针，指向对应的 Class 对象（类型指针）；

普通对象

数组对象

其中 Mark Word 结构为

Mark Word在不同的锁状态下存储的内容不同。

所以一个对象的结构如下：

2）Monitor 原理

Monitor 被翻译为监视器或者说管程，由操作系统分配来关联锁对象。

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

刚开始时 Monitor 中的 Owner 为 null；
当 Thread-2 执行 synchronized(obj){} 代码时就会将 Monitor 的所有者Owner 设置为 Thread-2，上锁成功，Monitor 中同一时刻只能有一个 Owner；
当 Thread-2 占据锁时，如果线程 Thread-3 ，Thread-4 也来执行synchronized(obj){} 代码，就会进入 EntryList（阻塞队列）中变成BLOCKED（阻塞）状态；
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。

5、synchronized 原理进阶

1）synchronized 用于同步代码块与同步方法原理

当一个线程访问同步代码块时，首先是需要得到锁才能执行同步代码，当退出或者抛出异常时必须要释放锁，那么它是如何来实现这个机制的呢？我们先看一段简单的代码：

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

查看反编译后结果：

monitorenter是加锁
monitorexit释放锁。monitorexit指令出现了两次，第1次为同步正常退出释放锁，第2次为发生异步退出释放锁；

2）轻量级锁

轻量级锁使用场景：当一个对象被多个线程所访问，但访问的时间是错开的（不存在竞争），此时就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 ，假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁：

    static final Object obj = new Object();
    public static void method1() {
        synchronized (obj) {
            // 同步代码块A
            method2();
        }
    }

    public static void method2() {
        synchronized (obj) {
            // 同步代码块B
        }
    }

创建锁记录（Lock Record）对象，每个线程的栈帧都会包含一个锁记录对象，内部可以存储锁定对象的mark word（不再一开始就使用Monitor）
让锁记录中的Object reference指向锁对象（Object），并尝试用cas去替换Object中的mark word，将此mark word放入lock record中保存

如果cas替换成功，则将Object的对象头替换为锁记录的地址和状态 00（轻量级锁状态），并由该线程给对象加锁

如果 cas 失败，有两种情况
- 如果是其它线程已经持有了该Object 的轻量级锁，这时表明有竞争，进入锁膨胀过程
- 如果是自己执行了 synchronized 锁重入，那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数

当退出 synchronized 代码块（解锁时）如果有取值为 null 的锁记录，表示有重入，这时重置锁记录，表示重入计数减一

当退出 synchronized 代码块（解锁时）锁记录的值不为 null，这时使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头
- 成功，则解锁成功
- 失败，说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程

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。

static Object obj = new Object();
public static void method1() {
  synchronized( obj ) {
    // 同步块
  }
}

当 Thread-1 进行轻量级加锁时，Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁

这时 Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程
- 即为 Object 对象申请 Monitor 锁，让 Object 指向重量级锁地址
- 然后自己进入 Monitor 的 EntryList BLOCKED

当 Thread-0 退出同步块解锁时，使用 cas 将 Mark Word 的值恢复给对象头，失败。这时会进入重量级解锁流程，即按照 Monitor 地址找到 Monitor 对象，设置 Owner 为 null，唤醒 EntryList 中 BLOCKED 线程

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。

自旋重试成功的情况

自旋重试失败的情况

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(用于优化轻量级锁重入)

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。

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。

例如：

static final Object obj = new Object();
public static void m1() {
  synchronized( obj ) {
    // 同步块 A
    m2();
  }
}

public static void m2() {
  synchronized( obj ) {
    // 同步块 B
    m3();
  }
}

public static void m3() {
  synchronized( obj ) {
    // 同步块 C
  }
}

分析如图：

偏向状态

Normal：一般状态，没有加任何锁，前面62位保存的是对象的信息，最后2位为状态（01），倒数第三位表示是否使用偏向锁（未使用：0）
Biased：偏向状态，使用偏向锁，前面54位保存的当前线程的ID，最后2位为状态（01），倒数第三位表示是否使用偏向锁（使用：1）
Lightweight：使用轻量级锁，前62位保存的是锁记录的指针，最后两位为状态（00）
Heavyweight：使用重量级锁，前62位保存的是Monitor的地址指针，后两位为状态(10)

如果开启了偏向锁（默认开启），在创建对象时，对象的Mark Word后三位应该是101
但是偏向锁默认是有延迟的，不会再程序一启动就生效，而是会在程序运行一段时间（几秒之后），才会对创建的对象设置为偏向状态
如果没有开启偏向锁，对象的Mark Word后三位应该是001

撤销偏向

以下几种情况会使对象的偏向锁失效：

调用锁对象的 hashCode 方法
多个线程使用该锁对象
调用了 wait/notify 方法（调用wait方法会导致锁膨胀而使用重量级锁）

5）批量重偏向

如果对象虽然被多个线程访问，但是线程间不存在竞争，这时偏向 t1 的对象仍有机会重新偏向 t2重偏向会重置Thread ID
当撤销超过20次后（超过阈值），JVM 会觉得是不是偏向错了，这时会在给对象加锁时，重新偏向至加锁线程。

6）批量撤销

当撤销偏向锁的阈值超过 40 以后，就会将整个类的对象都改为不可偏向的

7）锁消除

默认是打开的，原理是JIT优化，消除锁。

6、Wait/Notify

(1)原理

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

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

public class Test1 {
    final static Object LOCK = new Object();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //只有在对象被锁住后才能调用wait方法
        synchronized (LOCK) {
            LOCK.wait();
        }
    }
}

演示notify和notifyAll区别

    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

(2)Wait与Sleep的区别

不同点

Sleep是Thread类的静态方法，Wait是Object的方法，Object又是所有类的父类，所以所有类都有Wait方法。
Sleep在阻塞的时候不会释放锁，而Wait在阻塞的时候会释放锁
Sleep不需要与synchronized一起使用，而Wait需要与synchronized一起使用（对象被锁以后才能使用）

相同点

阻塞状态都为TIMED_WAITING

(3)优雅地使用wait/notify

什么时候适合使用wait

当线程不满足某些条件，需要暂停运行时，可以使用wait。这样会将对象的锁释放，让其他线程能够继续运行。如果此时使用sleep，会导致所有线程都进入阻塞，导致所有线程都没法运行，直到当前线程sleep结束后，运行完毕，才能得到执行。

使用wait/notify需要注意什么

当有多个线程在运行时，对象调用了wait方法，此时这些线程都会进入WaitSet中等待。如果这时使用了notify方法，可能会造成虚假唤醒（唤醒的不是满足条件的等待线程），这时就需要使用notifyAll方法

synchronized (LOCK) {
    while(//不满足条件，一直等待，避免虚假唤醒) {
        LOCK.wait();
    }
    //满足条件后再运行
}

synchronized (LOCK) {
    //唤醒所有等待线程
    LOCK.notifyAll();
}

7、模式之保护性暂停

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

public class GuardedObject {

    private Object response;
    private final Object lock = new Object();

    public Object get() {
        synchronized (lock) {
            // 条件不满足则等待
            while (response == null) {
                try {
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            // 条件满足，干活
            return response;
        }
    }

    public void complete(Object response) {
        synchronized (lock) {
            // 条件满足，通知等待线程
            this.response = response;
            lock.notifyAll();
        }
    }
}

一个线程等待另一个线程的执行结果

public static void main(String[] args) {
      GuardedObject guardedObject = new GuardedObject();
        new Thread(() -> {
        try {
            // 子线程执行下载
            List<String> response = download();
            log.debug("download complete...");
            guardedObject.complete(response);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        } }).start();

        log.debug("waiting...");
        // 主线程阻塞等待
        Object response = guardedObject.get();
        log.debug("get response: [{}] lines", ((List<String>) response).size());
  }

执行结果

18:42:18.568 [main] c.TestGuardedObject - waiting...
18:42:23.312 [Thread-0] c.TestGuardedObject - download complete... 
18:42:23.312 [main] c.TestGuardedObject - get response: [3] lines

带超时版 GuardedObject

public class GuardedObject {

    private Object response;
    private final Object lock = new Object();

    public Object get(long millis){

        synchronized (lock) {
            // 1) 记录最初时间
            long begin = System.currentTimeMillis();
            // 2) 已经经历的时间
            long timePassed = 0;

            while (response == null) {
                // 4) 假设 millis 是 1000，结果在 400 时唤醒了，那么还有 600 要等
                long waitTime = millis - timePassed;
                if (waitTime <= 0) {
                    break;
                }
                try {
                    lock.wait(waitTime);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                // 3) 如果提前被唤醒，这时已经经历的时间假设为 400
                timePassed = System.currentTimeMillis() - begin;
                return response;
            }
        }

    public void complete(Object response) {
        synchronized (lock) {
            // 条件满足，通知等待线程
            this.response = response;
            lock.notifyAll();
        }
    }
}

3）join源码——使用保护性暂停模式

public final synchronized void join(long millis)
    throws InterruptedException {
        long base = System.currentTimeMillis();
        long now = 0;

        if (millis < 0) {
            throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
        }

        if (millis == 0) {
            while (isAlive()) {
                wait(0);
            }
        } else {
            while (isAlive()) {
                long delay = millis - now;
                if (delay <= 0) {
                    break;
                }
                wait(delay);
                now = System.currentTimeMillis() - base;
            }
        }
    }

4）多任务版 GuardedObject

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。

rpc 框架的调用中就使用到了这种模式。

public class GuardedObject {
    // 标识 Guarded Object
    private int id;

    public GuardedObject(int id) {
        this.id = id;
    }

    public int getId() {
        return id;
    }

    // 结果
    private Object response;
    // 获取结果
    // timeout 表示要等待多久 2000 
    public Object get(long timeout) {
    synchronized (this) {
        // 开始时间 15:00:00
        long begin = System.currentTimeMillis(); // 经历的时间
        long passedTime = 0;
        while (response == null) {
            // 这一轮循环应该等待的时间
            long waitTime = timeout - passedTime; // 经历的时间超过了最大等待时间时，退出循环 
        if (timeout - passedTime <= 0) {
            break;
        } try {
            this.wait(waitTime); // 虚假唤醒 15:00:01
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 求得经历时间
        passedTime = System.currentTimeMillis() - begin; // 15:00:02 1s }
        return response;
    }

    // 产生结果
    public void complete(Object response) {
        synchronized (this) {
            // 给结果成员变量赋值
            this.response = response;
            this.notifyAll();
        }
    }
}

中间解耦类

class Mailboxes {
    private static Map<Integer, GuardedObject> boxes = new Hashtable<>();
    private static int id = 1;
    
    // 产生唯一 id
    private static synchronized int generateId() {
        return id++; 
    }
    
    public static GuardedObject getGuardedObject(int id) { 
        return boxes.remove(id);
    }
    
    public static GuardedObject createGuardedObject() { 
        GuardedObject go = new GuardedObject(generateId()); 
        boxes.put(go.getId(), go);
        return go;
    }
    
    public static Set<Integer> getIds() { 
        return boxes.keySet();
    } 
}

业务相关类

class People extends Thread{

    @Override
    public void run() {
        // 收信
        GuardedObject guardedObject = Mailboxes.createGuardedObject();
        log.debug("开始收信 id:{}", guardedObject.getId());
        Object mail = guardedObject.get(5000);
        log.debug("收到信 id:{}, 内容:{}", guardedObject.getId(), mail);
    }
}

class Postman extends Thread { 
    private int id;
    private String mail;

    public Postman(int id, String mail) { 
        this.id = id;
        this.mail = mail; 
    }

    @Override
    public void run() {
        GuardedObject guardedObject = Mailboxes.getGuardedObject(id);
        log.debug("送信 id:{}, 内容:{}", id, mail); 
        guardedObject.complete(mail);
    } 
}

测试

public  static void main(String[] args) throws InterruptedException { 

      for (int i = 0; i < 3; i++) {
          new People().start(); 
      }
      Sleeper.sleep(1);
      for (Integer id : Mailboxes.getIds()) {
            new Postman(id, "内容" + id).start(); 
      }
}

8、异步模式之生产者/消费者

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

class Message {
    private int id;
    private Object message;

    public Message(int id, Object message) {
        this.id = id;
        this.message = message;
    }
    public int getId() {
        return id;
    }
    public Object getMessage() {
        return message;
    }
}

@Slf4j
class MessageQueue {

    private LinkedList<Message> queue;
    private int capacity;

    public MessageQueue(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
        queue = new LinkedList<>();
    }

    public Message take() {
        synchronized (queue) {
            while (queue.isEmpty()) {
                log.debug("没货了, wait");
                try {
                    queue.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            Message message = queue.removeFirst();
            queue.notifyAll();
            return message;
        }
    }

    public void put(Message message) {
        synchronized (queue) {
            while (queue.size() == capacity) {
                log.debug("库存已达上限, wait");
                try {
                    queue.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            queue.addLast(message);
            queue.notifyAll();
        }
    }
}

应用：

    public static void main(String[] args) {
        MessageQueue messageQueue = new MessageQueue(2);

        // 4 个生产者线程, 下载任务
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            int id = I;
            new Thread(() -> {
                try {
                    log.debug("try put message({})", id);
                    messageQueue.put(new Message(id, "消息" + id));
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }, "生产者" + i).start();
        }

        // 1 个消费者线程, 处理结果
        new Thread(() -> {
            while (true) {
                Message message = messageQueue.take();
                log.debug("take message,id={}, message={}", message.getId(), message.getMessage());
            }
        }, "消费者").start();
    }

9、Park & Unpark

1）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...

先 unpark 再 park：

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

sleep(1);
log.debug("unpark...");
LockSupport.unpark(t1);

输出：

18:43:50.765 c.TestParkUnpark [t1] - start...
18:43:51.764 c.TestParkUnpark [main] - unpark...
18:43:52.769 c.TestParkUnpark [t1] - park...
18:43:52.769 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

2）park/unpark 原理

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

10、线程中的状态转换

假设有线程 Thread t

情况 1：NEW –> RUNNABLE

当调用了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

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

@Slf4j
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() ， 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

11、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
解决方法是准备多个房间（多个对象锁）

例如

public class BigRoom {
    public void sleep() {
        synchronized (this) {
            log.debug("sleeping 2 小时");
            Sleeper.sleep(2);
        }
    }
    public void study() {
        synchronized (this) {
            log.debug("study 1 小时");
            Sleeper.sleep(1);
        }
    }
}

执行：

BigRoom bigRoom = new BigRoom();
    new Thread(() -> {
    bigRoom.compute();
},"小南").start();

new Thread(() -> {
    bigRoom.sleep();
},"小女").start();

结果：

12:13:54.471 [小南] c.BigRoom - study 1 小时
12:13:55.476 [小女] c.BigRoom - sleeping 2 小时

改进：

public 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");
            Sleeper.sleep(2);
        }
    }
    public void study() {
        synchronized (studyRoom) {
            log.debug("study 1 小时");
            Sleeper.sleep(1);
        }
    }
}

执行结果：

12:15:35.069 [小南] c.BigRoom - study 1 小时
12:15:35.069 [小女] c.BigRoom - sleeping 2 小时

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

12、活跃性

定义：因为某种原因，使得代码一直无法执行完毕，这样的现象叫做活跃性

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：

public static void main(String[] args) {
        final Object A = new Object();
        final Object B = new Object();
        new Thread(()->{
            synchronized (A) {
                try {
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (B) {

                }
            }
        }).start();

        new Thread(()->{
            synchronized (B) {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (A) {

                }
            }
        }).start();
    }

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
Picked up JAVA_TOOL_OPTIONS: -Dfile.encoding=UTF-8
12320 Jps
33200 TestDeadLock // JVM 进程
11508 Main
28468 Launcher

cmd > jstack 33200
Picked up JAVA_TOOL_OPTIONS: -Dfile.encoding=UTF-8

Full thread dump Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (25.91-b14 mixed mode):

"DestroyJavaVM" #13 prio=5 os_prio=0 tid=0x0000000003525000 nid=0x2f60 waiting on condition
[0x0000000000000000]
java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"Thread-1" #12 prio=5 os_prio=0 tid=0x000000001eb69000 nid=0xd40 waiting for monitor entry
[0x000000001f54f000]
java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
at thread.TestDeadLock.lambda$main$1(TestDeadLock.java:28)
- waiting to lock <0x000000076b5bf1c0> (a java.lang.Object)
- locked <0x000000076b5bf1d0> (a java.lang.Object)
at thread.TestDeadLock$$Lambda$2/883049899.run(Unknown Source)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

"Thread-0" #11 prio=5 os_prio=0 tid=0x000000001eb68800 nid=0x1b28 waiting for monitor entry
[0x000000001f44f000]
java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
at thread.TestDeadLock.lambda$main$0(TestDeadLock.java:15)
- waiting to lock <0x000000076b5bf1d0> (a java.lang.Object)
- locked <0x000000076b5bf1c0> (a java.lang.Object)
at thread.TestDeadLock$$Lambda$1/495053715.run(Unknown Source)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

// 略去部分输出
Found one Java-level deadlock:
=============================
"Thread-1":
waiting to lock monitor 0x000000000361d378 (object 0x000000076b5bf1c0, a java.lang.Object),
which is held by "Thread-0"
"Thread-0":
waiting to lock monitor 0x000000000361e768 (object 0x000000076b5bf1d0, a java.lang.Object),
which is held by "Thread-1"
Java stack information for the threads listed above:
===================================================
"Thread-1":
at thread.TestDeadLock.lambda$main$1(TestDeadLock.java:28)
- waiting to lock <0x000000076b5bf1c0> (a java.lang.Object)
- locked <0x000000076b5bf1d0> (a java.lang.Object)
at thread.TestDeadLock$$Lambda$2/883049899.run(Unknown Source)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
"Thread-0":
at thread.TestDeadLock.lambda$main$0(TestDeadLock.java:15)
- waiting to lock <0x000000076b5bf1d0> (a java.lang.Object)
- locked <0x000000076b5bf1c0> (a java.lang.Object)
at thread.TestDeadLock$$Lambda$1/495053715.run(Unknown Source)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
Found 1 deadlock.

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

筷子类

class Chopstick {
    String name;

    public Chopstick(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "筷子{" + name + '}';
    }
}

哲学家类

@Slf4j
class Philosopher extends Thread {

    Chopstick left;
    Chopstick right;
    public Philosopher(String name, Chopstick left, Chopstick right) {
        super(name);
        this.left = left;
        this.right = right;
    }

    private void eat() {
        log.debug("eating...");
        Sleeper.sleep(1);
    }

    @Override
    public 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
        }
    }
}

就餐

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();

执行不多会，就执行不下去了

12:33:15.575 [苏格拉底] c.Philosopher - eating...
12:33:15.575 [亚里士多德] c.Philosopher - eating...
12:33:16.580 [阿基米德] c.Philosopher - eating...
12:33:17.580 [阿基米德] c.Philosopher - eating...
// 卡在这里, 不向下运行

使用 jconsole 检测死锁

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

public class TestLiveLock {
    
    static volatile int count = 10;
    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) {
                sleep(0.2);
                count--;
                log.debug("count: {}", count);
            }
        }, "t1").start();
        new Thread(() -> {
            // 期望超过 20 退出循环
            while (count < 20) {
                sleep(0.2);
                count++;
                log.debug("count: {}", count);
            }
        }, "t2").start();
    }
}

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

13、ReentrantLock

和synchronized相比具有的的特点

可中断
可以设置超时时间
可以设置为公平锁 (先到先得)
支持多个条件变量( 具有多个waitset)

基本语法

//获取ReentrantLock对象
private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
//加锁
lock.lock();
try {
    //需要执行的代码
}finally {
    //释放锁
    lock.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

    static 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：

17:59:11.862 [main] c.TestReentrant - execute method1
17:59:11.865 [main] c.TestReentrant - execute method2
17:59:11.865 [main] c.TestReentrant - execute method3

可打断

如果某个线程处于阻塞状态，可以调用其interrupt方法让其停止阻塞，获得锁失败

简而言之就是：处于阻塞状态的线程，被打断了就不用阻塞了，直接停止运行

public static void main(String[] args) {
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        Thread t1 = new Thread(()-> {
            try {
                //加锁，可打断锁
                lock.lockInterruptibly();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
                //被打断，返回，不再向下执行
                return;
            }finally {
                //释放锁
                lock.unlock();
            }

        });

        lock.lock();
        try {
            t1.start();
            Thread.sleep(1000);
            //打断
            t1.interrupt();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();//这个锁不可打断。

锁超时

尝试去获得锁，没获取到就立刻失败。

    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        log.debug("启动...");
        if (!lock.tryLock()) {
            log.debug("获取立刻失败，返回");
            return;
        }
        try {
            log.debug("获得了锁");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }, "t1");
    
    lock.lock(); 
    log.debug("获得了锁");
    t1.start(); 
    try {
        sleep(2);
    } finally {
        lock.unlock();
    }

输出

20:15:02.918 [main] c.TestTimeout - 获得了锁 
20:15:02.921 [t1] c.TestTimeout - 启动... 
20:15:02.921 [t1] c.TestTimeout - 获取立刻失败，返回

超时失败：

    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        log.debug("启动...");
        try {
            if (!lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {
                log.debug("获取等待 1s 后失败，返回");
                return;
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        try {
            log.debug("获得了锁");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }, "t1");
    
    lock.lock(); 
    log.debug("获得了锁"); 
    t1.start();

    try {
        sleep(2);
    } finally {
        lock.unlock();
    }

输出：

20:19:40.537 [main] c.TestTimeout - 获得了锁
20:19:40.544 [t1] c.TestTimeout - 启动...
20:19:41.547 [t1] c.TestTimeout - 获取等待 1s 后失败，返回

使用 tryLock 解决哲学家就餐问题

class Chopstick extends ReentrantLock {
    String name;

    public Chopstick(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "筷子{" + name + '}';
    }
}

class Philosopher extends Thread {
    Chopstick left;
    Chopstick right;

    public Philosopher(String name, Chopstick left, Chopstick right) {
        super(name);
        this.left = left;
        this.right = right;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            // 尝试获得左手筷子
            if (left.tryLock()) {
                try {
                    // 尝试获得右手筷子
                    if (right.tryLock()) {
                        try {
                            eat();
                        } finally {
                            right.unlock();
                        }
                    }
                } finally {
                    left.unlock();
                }
            }
        }
    }

    private void eat() {
        log.debug("eating...");
        Sleeper.sleep(1);
    }
}

公平锁

一般时为了解决饥饿问题，公平锁一般没有必要，会降低并发度。

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

    static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    static Condition waitCigaretteQueue = lock.newCondition();
    static Condition waitbreakfastQueue = lock.newCondition();
    static volatile boolean hasCigrette = false;
    static volatile boolean hasBreakfast = false;

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            try {
                lock.lock();
                while (!hasCigrette) {
                    try {
                        waitCigaretteQueue.await();
                    } 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 {
                        waitbreakfastQueue.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                log.debug("等到了它的早餐");
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }).start();
        sleep(1);
        sendBreakfast();
        sleep(1);
        sendCigarette();
    }

    private static void sendCigarette() {
        lock.lock();
        try {
            log.debug("送烟来了");
            hasCigrette = true;
            waitCigaretteQueue.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    private static void sendBreakfast() {
        lock.lock();
        try {
            log.debug("送早餐来了");
            hasBreakfast = true;
            waitbreakfastQueue.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

输出

20:52:27.680 [main] c.TestCondition - 送早餐来了 
20:52:27.682 [Thread-1] c.TestCondition - 等到了它的早餐 
20:52:28.683 [main] c.TestCondition - 送烟来了 
20:52:28.683 [Thread-0] c.TestCondition - 等到了它的烟

14、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

    // 用来同步的对象
    static Object obj = new Object();
    // t2 运行标记， 代表 t2 是否执行过
    static boolean t2runed = false;

    public static void main(String[] args) {

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            synchronized (obj) {
                // 如果 t2 没有执行过
                while (!t2runed) {
                    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
                t2runed = 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（虚假唤醒）
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:

    Thread t1 = new Thread(() -> {
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        // 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 Lock 条件变量版

class AwaitSignal extends ReentrantLock {

    public void start(Condition first) {
        this.lock();
        try {
            log.debug("start");
            first.signal();
        } finally {
            this.unlock();
        }
    }

    public void print(String str, Condition current, Condition next) {
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            this.lock();
            try {
                // 先把所有线程都放在waitset休息室休息，后面先唤醒一个开始
                current.await();
                log.debug(str);
                next.signal();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                this.unlock();
            }
        }
    }

    // 循环次数
    private int loopNumber;

    public AwaitSignal(int loopNumber) {
        this.loopNumber = loopNumber;
    }
}

        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);

2.2 Park Unpark 版

class SyncPark {

    private 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());
        }
    }

    private Thread nextThread() {
        Thread current = Thread.currentThread();
        int index = 0;
        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            if (threads[i] == current) {
                index = I;
                break;
            }
        }
        if (index < threads.length - 1) {
            return threads[index + 1];
        } else {
            return threads[0];
        }
    }

    // 先把3个线程都放在数组里，每个线程都是先park，然后再先唤醒第一个
    public void start() {
        for (Thread thread : threads) {
            thread.start();
        }
        LockSupport.unpark(threads[0]);
    }
}

        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\n");
        });
        
        syncPark.setThreads(t1, t2, t3);
        syncPark.start();

并发--管程(Monitor)

共享模型之管程

1、共享带来的问题

(1)临界区 Critical Section

(2)竞态条件 Race Condition

2、synchronized 解决方案

(1)解决手段

(2)synchronized语法

(3)synchronized加在方法上

3、变量的线程安全分析

成员变量和静态变量是否线程安全？

局部变量是否线程安全？

思考 private 或 final的重要性

常见线程安全类

不可变类线程安全性

典型案例分析

4、Monitor 概念

1）Java 对象头（Object Header）

2）Monitor 原理

5、synchronized 原理进阶

1）synchronized 用于同步代码块与同步方法原理

2）轻量级锁

2）锁膨胀

3）自旋优化

4）偏向锁(用于优化轻量级锁重入)

偏向状态

撤销偏向

5）批量重偏向

6）批量撤销

7）锁消除

6、Wait/Notify

(1)原理

(2)Wait与Sleep的区别

(3)优雅地使用wait/notify

7、模式之保护性暂停

1）定义

2）实现

3）join源码——使用保护性暂停模式

4）多任务版 GuardedObject

8、异步模式之生产者/消费者

1）定义

2）实现

9、Park & Unpark

1）基本使用

2）park/unpark 原理

10、线程中的状态转换

情况 1：NEW –> RUNNABLE

情况 2 RUNNABLE <--> WAITING

情况 3 RUNNABLE <--> WAITING

情况 4 RUNNABLE <--> WAITING

情况 5 RUNNABLE <--> TIMED_WAITING

情况 6 RUNNABLE <--> TIMED_WAITING

情况 7 RUNNABLE <--> TIMED_WAITING

情况 8 RUNNABLE <--> TIMED_WAITING

情况 9 RUNNABLE <--> BLOCKED

情况 10 RUNNABLE <--> TERMINATED

11、多把锁

12、活跃性

死锁

定位死锁

哲学家就餐问题

活锁

饥饿

13、ReentrantLock

可重入

可打断

锁超时

公平锁

条件变量

14、同步模式之顺序控制

1. 固定运行顺序

2. 交替输出

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