Java 多线程共享模型之管程（下）

• 2022 年 6 月 11 日
• 筆記
• Java 并发编程, Java并发编程, 并发编程

共享模型之管程

wait、notify

wait、notify 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

package WaNo;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

@Slf4j(topic = "c.demo2")
public class demo2 {

    static final Object lock = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
            synchronized (lock){
                log.debug("执行");
                try {
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                log.debug("其他代码");
            }
        },"t1").start();

        new Thread(() -> {
            synchronized (lock){
                log.debug("执行");
                try {
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                log.debug("其他代码");
            }
        },"t2").start();

        Thread.sleep(2000);
        log.debug("唤醒 lock 上其他线程");
        synchronized (lock){
            lock.notify();  //唤醒 lock 上的一个线程（随机）
            //lock.notifyAll();   //唤醒 lock 上的所有线程
        }
    }
}

• notify()

  20:20:58 [t1] c.demo2 - 执行
  20:20:58 [t2] c.demo2 - 执行
  20:21:00 [main] c.demo2 - 唤醒 lock 上其他线程
  20:21:00 [t1] c.demo2 - 其他代码
  

• notifyAll()

  20:22:04 [t1] c.demo2 - 执行
  20:22:04 [t2] c.demo2 - 执行
  20:22:06 [main] c.demo2 - 唤醒 lock 上其他线程
  20:22:06 [t2] c.demo2 - 其他代码
  20:22:06 [t1] c.demo2 - 其他代码
  

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

wait、notify 正确使用

sleep vs. wait

• 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
• 它们状态 TIMED_WAITING

step 1

思考下面的解决方案好不好，为什么？

package WaNo;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

@Slf4j(topic = "c.demo4")
public class demo4 {
    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);
                if(!hasCigarette){
                    log.debug("没烟，睡会！");
                    try {
                        Thread.sleep(2000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                log.debug("有烟没？[{}]",hasCigarette);
                if(hasCigarette){
                    log.debug("开始干活！");
                }
            }
        },"小南").start();

        for(int i=0;i<5;i++){
            new Thread(() -> {
                synchronized (room){
                    log.debug("开始干活！");
                }
            },"其他人").start();
        }

        Thread.sleep(1000);
        new Thread(() -> {
            hasCigarette = true;
            log.debug("烟到了！");
        },"送烟的").start();
    }
}

输出：

20:41:09 [小南] c.demo4 - 有烟没？[false]
20:41:09 [小南] c.demo4 - 没烟，睡会！
20:41:10 [送烟的] c.demo4 - 烟到了！
20:41:11 [小南] c.demo4 - 有烟没？[true]
20:41:11 [小南] c.demo4 - 开始干活！
20:41:11 [其他人] c.demo4 - 开始干活！
20:41:11 [其他人] c.demo4 - 开始干活！
20:41:11 [其他人] c.demo4 - 开始干活！
20:41:11 [其他人] c.demo4 - 开始干活！
20:41:11 [其他人] c.demo4 - 开始干活！

• 其它干活的线程，都要一直阻塞，效率太低
• 小南线程必须睡足 2s 后才能醒来，就算烟提前送到，也无法立刻醒来
• 加了 synchronized (room) 后，就好比小南在里面反锁了门睡觉，烟根本没法送进门，main 没加synchronized 就好像 main 线程是翻窗户进来的
• 解决方法，使用 wait – notify 机制

step 2

思考下面的实现行吗，为什么？

package WaNo.step;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

@Slf4j(topic = "c.demo4")
public class step2 {
    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);
                if(!hasCigarette){
                    log.debug("没烟，睡会！");
                    try {
                        room.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                log.debug("有烟没？[{}]",hasCigarette);
                if(hasCigarette){
                    log.debug("开始干活！");
                }
            }
        },"小南").start();

        for(int i=0;i<5;i++){
            new Thread(() -> {
                synchronized (room){
                    log.debug("开始干活！");
                }
            },"其他人").start();
        }

        Thread.sleep(1000);
        new Thread(() -> {
            synchronized (room){
                hasCigarette = true;
                log.debug("烟到了！");
                room.notify();
            }
        },"送烟的").start();
    }
}

输出：

20:46:32 [小南] c.demo4 - 有烟没？[false]
20:46:32 [小南] c.demo4 - 没烟，睡会！
20:46:32 [其他人] c.demo4 - 开始干活！
20:46:32 [其他人] c.demo4 - 开始干活！
20:46:32 [其他人] c.demo4 - 开始干活！
20:46:32 [其他人] c.demo4 - 开始干活！
20:46:32 [其他人] c.demo4 - 开始干活！
20:46:33 [送烟的] c.demo4 - 烟到了！
20:46:33 [小南] c.demo4 - 有烟没？[true]
20:46:33 [小南] c.demo4 - 开始干活！

• 解决了其它干活的线程阻塞的问题
• 但如果有其它线程也在等待条件呢？

step 3

package WaNo.step;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

@Slf4j(topic = "c.demo4")
public class step3 {
    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);
                if(!hasCigarette){
                    log.debug("没烟，睡会！");
                    try {
                        room.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                log.debug("有烟没？[{}]",hasCigarette);
                if(hasCigarette){
                    log.debug("开始干活！");
                } else {
                    log.debug("没干成活...");
                }
            }
        },"小南").start();

        new Thread(() -> {
            synchronized (room) {
                Thread thread = Thread.currentThread();
                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();

        for(int i=0;i<5;i++){
            new Thread(() -> {
                synchronized (room){
                    log.debug("开始干活！");
                }
            },"其他人").start();
        }

        Thread.sleep(1000);
        new Thread(() -> {
            synchronized (room){
                hasCigarette = true;
                log.debug("烟到了！");
                room.notify();
            }
        },"送烟的").start();
    }
}

输出：

20:53:12.173 [小南] c.TestCorrectPosture - 有烟没？[false] 
20:53:12.176 [小南] c.TestCorrectPosture - 没烟，先歇会！
20:53:12.176 [小女] c.TestCorrectPosture - 外卖送到没？[false] 
20:53:12.176 [小女] c.TestCorrectPosture - 没外卖，先歇会！
20:53:13.174 [送外卖的] c.TestCorrectPosture - 外卖到了噢！
20:53:13.174 [小南] c.TestCorrectPosture - 有烟没？[false] 
20:53:13.174 [小南] c.TestCorrectPosture - 没干成活...

notify 只能随机唤醒一个 WaitSet 中的线程，这时如果有其它线程也在等待，那么就可能唤醒不了正确的线程，称之为【虚假唤醒】

解决方法，改为 notifyAll

step 4

new Thread(() -> {
 	synchronized (room) {
 		hasTakeout = true;
 		log.debug("外卖到了噢！");
 		room.notifyAll();
 	}
}, "送外卖的").start();

输出：

20:55:23.978 [小南] c.TestCorrectPosture - 有烟没？[false] 
20:55:23.982 [小南] c.TestCorrectPosture - 没烟，先歇会！
20:55:23.982 [小女] c.TestCorrectPosture - 外卖送到没？[false] 
20:55:23.982 [小女] c.TestCorrectPosture - 没外卖，先歇会！
20:55:24.979 [送外卖的] c.TestCorrectPosture - 外卖到了噢！
20:55:24.979 [小女] c.TestCorrectPosture - 外卖送到没？[true] 
20:55:24.980 [小女] c.TestCorrectPosture - 可以开始干活了
20:55:24.980 [小南] c.TestCorrectPosture - 有烟没？[false] 
20:55:24.980 [小南] c.TestCorrectPosture - 没干成活...

用 notifyAll 仅解决某个线程的唤醒问题，但使用 if + wait 判断仅有一次机会，一旦条件不成立，就没有重新判断的机会了

解决方法，用 while + wait，当条件不成立，再次 wait

step 5

将 if 改为 while

while (!hasCigarette) {
 	log.debug("没烟，先歇会！");
 	try {
 		room.wait();
 		} catch (InterruptedException e) {
 			e.printStackTrace();
 		}
}

输出：

20:58:34.322 [小南] c.TestCorrectPosture - 有烟没？[false] 
20:58:34.326 [小南] c.TestCorrectPosture - 没烟，先歇会！
20:58:34.326 [小女] c.TestCorrectPosture - 外卖送到没？[false] 
20:58:34.326 [小女] c.TestCorrectPosture - 没外卖，先歇会！
20:58:35.323 [送外卖的] c.TestCorrectPosture - 外卖到了噢！
20:58:35.324 [小女] c.TestCorrectPosture - 外卖送到没？[true] 
20:58:35.324 [小女] c.TestCorrectPosture - 可以开始干活了
20:58:35.324 [小南] c.TestCorrectPosture - 没烟，先歇会！

套路总结

synchronized(lock) {
 	while(条件不成立) {
 		lock.wait();
 	}
 	// 干活
}

//另一个线程
synchronized(lock) {
 	lock.notifyAll();
}

同步模式之保护性暂停

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

实现

package WaNo.step;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

@Slf4j(topic = "c.demo4")
public class demo4 {
    public static void main(String[] args) {
        //线程1 等待线程2 的下载结果
        GuardedObject guardedObject = new GuardedObject();
        new Thread(() -> {
            List<String> list = (List<String>) guardedObject.get();
            log.debug("结果的大小是：{}",list.size());
        },"t1").start();

        new Thread(() -> {
            log.debug("执行下载");
            try {
                Thread.sleep(5000);
                List<String> list = new ArrayList<>();
                list.add("1");
                guardedObject.complete(list);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        },"t2").start();
    }
}

class GuardedObject {
    //结果
    private Object response;

    //获取结果
    public Object get() {
        synchronized (this){
            //还没有结果
            while (response == null){
                try {
                    this.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            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();
        }
    }
}

输出：

16:47:15 [t2] c.demo4 - 执行下载
16:47:20 [t1] c.demo4 - 结果的大小是：1

异步模式之生产者/消费者

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

package WaNo;

import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.Setter;
import lombok.ToString;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.LinkedList;

@Slf4j(topic = "c.demo5")
public class demo5 {
    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,"值"+id));
            },"生产者" + i).start();
        }

        new Thread(() -> {
            while (true){
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                    Message message = queue.take();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"消费者").start();
    }
}

//消息队列类（线程间通信）
@Slf4j(topic = "c.MessageQueue")
class MessageQueue {
    //消息队列集合
    private LinkedList<Message> list = new LinkedList<>();
    //队列容量
    private int capcity;

    public MessageQueue(int capcity){
        this.capcity = capcity;
    }

    //获取消息
    public Message take(){
        //检查队列是否为空
        synchronized (list){
            while (list.isEmpty()){
                try {
                    log.debug("队列为空，消费者线程等待");
                    list.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            //从队列头部获取消息返回
            Message message = list.removeFirst();
            log.debug("已消费消息 {}",message);
            list.notifyAll();
            return message;
        }
    }

    //存入消息
    public void put(Message message){
        synchronized (list){
            //检查队列是否已满
            while (list.size() == capcity){
                try {
                    log.debug("队列已满，生产者线程等待");
                    list.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            //将消息加入队列的尾部
            list.addLast(message);
            log.debug("已生产消息 {}",message);
            list.notifyAll();
        }
    }
}

@Setter
@AllArgsConstructor
@ToString
@Slf4j(topic = "c.Message")
final class Message {
    private int id;
    private Object value;
}

输出：

17:18:49 [生产者0] c.MessageQueue - 已生产消息 Message(id=0, value=值0)
17:18:49 [生产者2] c.MessageQueue - 已生产消息 Message(id=2, value=值2)
17:18:49 [生产者1] c.MessageQueue - 队列已满，生产者线程等待
17:18:50 [消费者] c.MessageQueue - 已消费消息 Message(id=0, value=值0)
17:18:50 [生产者1] c.MessageQueue - 已生产消息 Message(id=1, value=值1)
17:18:51 [消费者] c.MessageQueue - 已消费消息 Message(id=2, value=值2)
17:18:52 [消费者] c.MessageQueue - 已消费消息 Message(id=1, value=值1)
17:18:53 [消费者] c.MessageQueue - 队列为空，消费者线程等待

park、unpark

基本使用

它们是 LockSupport 类中的方法

// 暂停当前线程
LockSupport.park(); 

// 恢复某个线程的运行
LockSupport.unpark(暂停线程对象)

先 park 再 unpark

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

Thread.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

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

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

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

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

重新理解六种状态

假设有线程 Thread t

情况一

NEW –> RUNNABLE

当调用 t.start() 方法时，由 NEW –> RUNNABLE

情况二

​ 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

情况三

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

情况四

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

情况五

​ 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

情况六

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

情况七

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

情况八

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

情况九

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

情况十

RUNNABLE <–> TERMINATED

当前线程所有代码运行完毕，进入 TERMINATED

多把锁

package WaNo;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

@Slf4j(topic = "c.demo6")
public class demo6 {
    public static void main(String[] args) {
        BigRoom bigRoom = new BigRoom();
        new Thread(() -> {
            bigRoom.study();
        },"r1").start();

        new Thread(() -> {
            bigRoom.sleep();
        },"r2").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("sleep two hours");
            try {
                Thread.sleep(2000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public void study(){
        synchronized (studyRoom){
            log.debug("study one hour");
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

输出：

20:01:42 [r2] c.BigRoom - sleep two hours
20:01:42 [r1] c.BigRoom - study one hour

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

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

Object A = new Object();
Object B = new Object();
Thread t1 = new Thread(() -> {
 	synchronized (A) {
 		log.debug("lock A");
 		sleep(1);
		synchronized (B) {
 			log.debug("lock B");
 			log.debug("操作...");
 		}
 	}
}, "t1");

Thread t2 = new Thread(() -> {
 	synchronized (B) {
 		log.debug("lock B");
 		sleep(0.5);
 		synchronized (A) {
 			log.debug("lock A");
  			log.debug("操作...");
 		}
 	}
}, "t2");
t1.start();
t2.start();

输出：

12:22:06.962 [t2] c.TestDeadLock - lock B 
12:22:06.962 [t1] c.TestDeadLock - lock A

哲学家进餐问题

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

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

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

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

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
• 支持多个条件变量

与 synchronized 一样，都支持可重入

基本语法

// 获取锁
reentrantLock.lock();
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 ReentrantLockDemo;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

@Slf4j(topic = "c.demo1")
public class demo1 {
    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    public static void main(String[] args) {

        lock.lock();
        try {
            log.debug("enter main");
            m1();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void m1(){
        lock.lock();
        try {
            log.debug("enter m1");
            m2();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void m2(){
        lock.lock();
        try {
            log.debug("enter m2");
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

输出：

20:19:19 [main] c.demo1 - enter main
20:19:19 [main] c.demo1 - enter m1
20:19:19 [main] c.demo1 - enter m2

可打断

package ReentrantLockDemo;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

@Slf4j(topic = "c.demo2")
public class demo2 {
    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            try {
                //如果没有竞争，此方法会获取对象的锁
                //如果有竞争，就进入阻塞队列，可以被其他线程用 interrupt 打断
                log.debug("尝试获得锁");
                lock.lockInterruptibly();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
                log.debug("未获得锁，返回");
                return;
            }
            try {
                log.debug("获取到锁");
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        }, "t1");

        lock.lock();
        t1.start();
        Thread.sleep(1000);
        log.debug("打断t1");
        t1.interrupt();
    }
}

输出：

20:26:05 [t1] c.demo2 - 尝试获得锁
20:26:06 [main] c.demo2 - 打断t1
20:26:06 [t1] c.demo2 - 未获得锁，返回
java.lang.InterruptedException
	at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.doAcquireInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:898)
	at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:1222)
	at java.util.concurrent.locks.ReentrantLock.lockInterruptibly(ReentrantLock.java:335)
	at ReentrantLockDemo.demo2.lambda$main$0(demo2.java:16)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

Process finished with exit code 0

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

锁超时

立刻失败

package ReentrantLockDemo;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

@Slf4j(topic = "c.demo3")
public class demo3 {
    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            log.debug("尝试获得锁");
            if(!lock.tryLock()){
                log.debug("获取不到锁");
                return;
            }
            try {
                log.debug("获得到锁");
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        },"t1");

        lock.lock();
        log.debug("获得到锁");
        t1.start();
    }
}

输出：

20:31:15 [main] c.demo3 - 获得到锁
20:31:15 [t1] c.demo3 - 尝试获得锁
20:31:15 [t1] c.demo3 - 获取不到锁

超时失败

package ReentrantLockDemo;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import sun.reflect.generics.tree.Tree;

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

@Slf4j(topic = "c.demo3")
public class demo3 {
    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            log.debug("尝试获得锁");
            try {
                if(!lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)){
                    log.debug("获取不到锁");
                    return;
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
                log.debug("获取不到锁");
                return;
            }
            try {
                log.debug("获得到锁");
            }finally {
                lock.unlock();
            }
        },"t1");

        lock.lock();
        log.debug("获得到锁");
        Thread.sleep(1000);
        lock.unlock();
        t1.start();
    }
}

输出：

20:34:03 [main] c.demo3 - 获得到锁
20:34:04 [t1] c.demo3 - 尝试获得锁
20:34:04 [t1] c.demo3 - 获得到锁

公平锁

ReentrantLock 默认是不公平的

package ReentrantLockDemo;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

@Slf4j(topic = "c.demo4")
public class demo4 {
    public static void main(String[] args) {
        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

条件变量

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

package ReentrantLockDemo;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

@Slf4j(topic = "c.demo4")
public class demo4 {
    private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    public static void main(String[] args) {
        //创建一个新的条件变量（休息室）
        Condition condition1 = lock.newCondition();
        Condition condition2 = lock.newCondition();

        lock.lock();
        //进入休息室等待
        condition1.await();
        
        condition1.signal();
        //condition1.signalAll();
    }
}

同步模式之顺序控制

固定运行顺序

比如，必须先 2 后 1 打印

wait notify版

package ReentrantLockDemo;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

@Slf4j(topic = "c.demo4")
public class demo4 {
    static final Object lock = new Object();
    //表示 t2 是否被运行过
    static boolean t2runned = false;
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            synchronized (lock){
                while (!t2runned){
                    try {
                        lock.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                log.debug("1");
            }
        },"t1");

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            synchronized (lock){
                log.debug("2");
                t2runned = true;
                lock.notify();
            }
        },"t2");

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

输出：

20:49:28 [t2] c.demo4 - 2
20:49:28 [t1] c.demo4 - 1

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 ReentrantLockDemo;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

@Slf4j(topic = "demo5")
public class demo5 {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            LockSupport.park();
            log.debug("1");
        }, "t1");

        t1.start();

        new Thread(() -> {
            log.debug("2");
            LockSupport.unpark(t1);
        },"t2").start();
    }
}

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

wait notify版

package ReentrantLockDemo;

import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

@Slf4j(topic = "demo5")
public class demo5 {
    public static void main(String[] args) {
        WaitNotify wn = new WaitNotify(1,5);
        new Thread(() -> {
            wn.print("a",1,2);
        }).start();
        new Thread(() -> {
            wn.print("b",2,3);
        }).start();
        new Thread(() -> {
            wn.print("c",3,1);
        }).start();
    }
}
/*
    输出内容    等待标记    下一个标记
    a           1           2
    b           2           3
    c           3           1
 */
@AllArgsConstructor
class WaitNotify{
    //等待标记
    private int flag;
    //循环次数
    private int loopNumber;

    //打印
    public void print(String str,int waitFlag,int nextFlag){
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            synchronized (this){
                while (flag != waitFlag){
                    try {
                        this.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                System.out.print(str);
                flag = nextFlag;
                this.notifyAll();
            }
        }
    }
}

输出：

abcabcabcabcabc

ReentrantLock版

package ReentrantLockDemo;

import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

@Slf4j(topic = "c.demo6")
public class demo6 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AwaitSignal awaitSignal = new AwaitSignal(5);
        Condition a = awaitSignal.newCondition();
        Condition b = awaitSignal.newCondition();
        Condition c = awaitSignal.newCondition();
        new Thread(() -> {
            awaitSignal.print("a", a, b);
        }).start();
        new Thread(() -> {
            awaitSignal.print("b", b, c);
        }).start();
        new Thread(() -> {
            awaitSignal.print("c", c, a);
        }).start();

        Thread.sleep(1000);
        awaitSignal.lock();
        try {
            System.out.println("开始。。。");
            a.signal();
        }finally {
            awaitSignal.unlock();
        }
    }
}

@AllArgsConstructor
class AwaitSignal extends ReentrantLock {
    private int loopNumber;
    /**
     * @param str 打印内容
     * @param current   进入哪一间休息室
     * @param next  下一间休息室
     */
    public void print(String str,Condition current,Condition next){
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            lock();
            try {
                try {
                    current.await();
                    System.out.print(str);
                    next.signal();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }finally {
                unlock();
            }
        }
    }
}

输出：

开始。。。
abcabcabcabcabc

park unpark版

package ReentrantLockDemo;

import lombok.AllArgsConstructor;

import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

public class demo7 {

    static  Thread t1;
    static  Thread t2;
    static  Thread t3;

    public static void main(String[] args) {
        ParkUnpark pu = new ParkUnpark(5);
        t1 = new Thread(() -> {
            pu.print("a", t2);
        },"t1");
        t2 = new Thread(() -> {
            pu.print("b", t3);
        },"t2");
        t3 = new Thread(() -> {
            pu.print("c", t1);
        },"t3");

        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

        LockSupport.unpark(t1);
    }
}

@AllArgsConstructor
class ParkUnpark{
    private int loopNumber;

    public void print(String str,Thread next){
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            LockSupport.park();
            System.out.print(str);
            LockSupport.unpark(next);
        }
    }
}

输出：

abcabcabcabcabc