大牛聊Java並發編程原理之 線程的互斥與協作機制
可能在synchronized關鍵字的實現原理中，你已經知道了它的底層是使用Monitor的相關指令來實現的，但是還不清楚Monitor的具體細節。本文將讓你徹底Monitor的底層實現原理。
管程
一個管程可以被認為是一個帶有特殊房間的建築，這個特殊房間只能被一個線程佔用。這個房間包含很多數據和代碼。
如果一個線程要佔用特殊房間(也就是紅色區域)，那麼首先它必須在Hallway中等待。調度器基於某些規則(例如先進先出)從Hallway中取一個線程。如果線程在Hallway由於某些原因被掛起，它將會被送往等待房間(也就是藍色區域)，在一段時間後被調度到特殊房間中。
簡而言之，監視器是一種監視現場訪問特殊房間的設備。他能夠使有且僅有一個線程訪問的受保護的代碼和數據。
Monitor
在Java虛擬機中，每一個對象和類都與一個監視器相關聯。為了實現監視器的互斥功能，鎖(有時候也稱為互斥體)與每一個對象和類關聯。在操作系統書中，這叫做信號量，互斥鎖也被稱為二元信號量。
如果一個線程擁有某些數據上的鎖，其他線程想要獲得鎖只能等到這個線程釋放鎖。如果我們在進行多線程編程時總是需要編寫一個信號量，那就不太方便了。幸運的是，我們不需要這樣做，因為JVM會自動為我們做這件事。
為了聲明一個同步區域(這裡意味着數據不可能被超過一個線程訪問)，Java提供了synchronized塊和synchronized方法。一旦代碼被synchronized關鍵字綁定，它就是一個監視器區域。它的鎖將會在後面被JVM實現。
Monitor是 Java中用以實現線程之間的互斥與協作的主要手段，它可以看成是對象或者Class的鎖。每一個對象都有，也僅有一個 monitor。下面這個圖，描述了線程和 Monitor之間關係，以及線程的狀態轉換圖：
進入區(Entrt Set)：表示線程通過synchronized要求獲取對象的鎖，但並未得到。
擁有者(The Owner)：表示線程成功競爭到對象鎖。
等待區(Wait Set)：表示線程通過對象的wait方法，釋放對象的鎖，並在等待區等待被喚醒。
線程狀態
-
NEW，未啟動的。不會出現在Dump中。
-
RUNNABLE，在虛擬機內執行的。
-
BLOCKED，等待獲得監視器鎖。
-
WATING，無限期等待另一個線程執行特定操作。
-
TIMED_WATING，有時限的等待另一個線程的特定操作。
-
TERMINATED，已退出的。
舉個例子：
package com.jiuyan.mountain.test;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
* Hello world!
*
*/
public class App {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
MyTask task = new MyTask();
Thread t1 = new Thread(task);
t1.setName("t1");
Thread t2 = new Thread(task);
t2.setName("t2");
t1.start();
t2.start();
}
}
class MyTask implements Runnable {
private Integer mutex;
public MyTask() {
mutex = 1;
}
@Override
public void run() {
synchronized (mutex) {
while(true) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName());
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
線程狀態：
"t2" prio=10 tid=0x00007f7b2013a800 nid=0x67fb waiting for monitor entry [0x00007f7b17087000]
java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
at com.jiuyan.mountain.test.MyTask.run(App.java:35)
- waiting to lock <0x00000007d6b6ddb8> (a java.lang.Integer)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
"t1" prio=10 tid=0x00007f7b20139000 nid=0x67fa waiting on condition [0x00007f7b17188000]
java.lang.Thread.State: TIMED_WAITING (sleeping)
at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
t1沒有搶到鎖，所以顯示BLOCKED。t2搶到了鎖，但是處於睡眠中，所以顯示TIMED_WAITING，有限等待某個條件來喚醒。
把睡眠的代碼去掉，線程狀態變成了：
"t2" prio=10 tid=0x00007fa0a8102800 nid=0x6a15 waiting for monitor entry [0x00007fa09e37a000]
java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
at com.jiuyan.mountain.test.MyTask.run(App.java:35)
- waiting to lock <0x0000000784206650> (a java.lang.Integer)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
"t1" prio=10 tid=0x00007fa0a8101000 nid=0x6a14 runnable [0x00007fa09e47b000]
java.lang.Thread.State: RUNNABLE
at java.io.FileOutputStream.writeBytes(Native Method)
t1顯示RUNNABLE，說明正在運行，這裡需要額外說明一下，如果這個線程正在查詢數據庫，但是數據庫發生死鎖，雖然線程顯示在運行，實際上並沒有工作，對於IO型的線程別只用線程狀態來判斷工作是否正常。
把MyTask的代碼小改一下，線程拿到鎖之後執行wait，釋放鎖，進入等待區。
public void run() {
synchronized (mutex) {
if(mutex == 1) {
try {
mutex.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
線程狀態如下：
"t2" prio=10 tid=0x00007fc5a8112800 nid=0x5a58 in Object.wait() [0x00007fc59b58c000]
java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
at java.lang.Object.wait(Native Method)
"t1" prio=10 tid=0x00007fc5a8111000 nid=0x5a57 in Object.wait() [0x00007fc59b68d000]
java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
at java.lang.Object.wait(Native Method)
兩個線程都顯示WAITING，這次是無限期的，需要重新獲得鎖，所以後面跟了on object monitor。
再來個死鎖的例子：
package com.jiuyan.mountain.test;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
* Hello world!
*
*/
public class App {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
MyTask task1 = new MyTask(true);
MyTask task2 = new MyTask(false);
Thread t1 = new Thread(task1);
t1.setName("t1");
Thread t2 = new Thread(task2);
t2.setName("t2");
t1.start();
t2.start();
}
}
class MyTask implements Runnable {
private boolean flag;
public MyTask(boolean flag) {
this.flag = flag;
}
@Override
public void run() {
if(flag) {
synchronized (Mutex.mutex1) {
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
synchronized (Mutex.mutex2) {
System.out.println("ok");
}
}
} else {
synchronized (Mutex.mutex2) {
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
synchronized (Mutex.mutex1) {
System.out.println("ok");
}
}
}
}
}
class Mutex {
public static Integer mutex1 = 1;
public static Integer mutex2 = 2;
}
線程狀態：
"t2" prio=10 tid=0x00007f5f9c122800 nid=0x3874 waiting for monitor entry [0x00007f5f67efd000]
java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
at com.jiuyan.mountain.test.MyTask.run(App.java:55)
- waiting to lock <0x00000007d6c45bd8> (a java.lang.Integer)
- locked <0x00000007d6c45be8> (a java.lang.Integer)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
"t1" prio=10 tid=0x00007f5f9c121000 nid=0x3873 waiting for monitor entry [0x00007f5f67ffe000]
java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
at com.jiuyan.mountain.test.MyTask.run(App.java:43)
- waiting to lock <0x00000007d6c45be8> (a java.lang.Integer)
- locked <0x00000007d6c45bd8> (a java.lang.Integer)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
Found one Java-level deadlock:
=============================
"t2":
waiting to lock monitor 0x00007f5f780062c8 (object 0x00000007d6c45bd8, a java.lang.Integer),
which is held by "t1"
"t1":
waiting to lock monitor 0x00007f5f78004ed8 (object 0x00000007d6c45be8, a java.lang.Integer),
which is held by "t2"
這個有點像哲學家就餐問題，每個線程都持有對方需要的鎖，那就運行不下去了。
最後
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作者：monitor
