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这篇文章将为大家详细讲解有关Object提供的阻塞和唤醒API有什么用,小编觉得挺实用的,因此分享给大家做个参考,希望大家阅读完这篇文章后可以有所收获。
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java.lang.Object
作为所有非基本类型的基类,也就是说所有java.lang.Object
的子类都具备阻塞和唤醒的功能。下面详细分析Object
提供的阻塞和唤醒API
,它们有一共共同特点:必须在synchronized
所修饰的代码块或者方法中使用。
等待-wait()
方法提供了阻塞的功能,分超时和永久阻塞的版本,实际上,底层只提供了一个JNI方法:
// 这个是底层提供的JNI方法,带超时的阻塞等待,响应中断,其他两个只是变体
public final native void wait(long timeoutMillis) throws InterruptedException;
// 变体方法1,永久阻塞,响应中断
public final void wait() throws InterruptedException {
wait(0L);
}
// 变体方法2,带超时的阻塞,超时时间分两段:毫秒和纳秒,实际上纳秒大于0直接毫秒加1(这么暴力...),响应中断
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);
}
也就是只有一个wait(long timeoutMillis)
方法是JNI接口,其他两个方法相当于:
wait()
等价于
wait(0L)
。wait(long timeoutMillis, int nanos)
在参数合法的情况下等价于
wait(timeoutMillis + 1L)
。由于wait(long timeoutMillis, int nanos)
是参数最完整的方法,它的API注释特别长,这里直接翻译和摘取它注释中的核心要素:
notify(All)
被调用、线程被中断或者在指定了超时阻塞的情况下超过了指定的阻塞时间。wait()
方法之后,当前线程会把自身放到当前对象的等待集合(
wait-set
),然后释放所有在此对象上的同步声明(then to relinquish any nd all synchronization claims on this object),谨记只有当前对象上的同步声明会被释放,当前线程在其他对象上的同步锁只有在调用其
wait()
方法之后才会释放。notify()
或者中断)就会从等待集合(
wait-set
)中移除并且重新允许被线程调度器调度。通常情况下,这个被唤醒的线程会与其他线程竞争对象上的同步权(锁),一旦线程重新
「控制了对象(regained control of the object)」,它对对象的所有同步声明都恢复到以前的状态,即恢复到调用
wait()
方法时(笔者认为,其实准确来说,是调用
wait()
方法前)的状态。wait()
之前,或者调用过
wait()
方法之后处于阻塞等待状态,一旦线程调用了
Thread#interrupt()
,线程就会中断并且抛出
InterruptedException
异常,线程的中断状态会被清除。
InterruptedException
异常会延迟到在第4点提到"它对对象的所有同步声明都恢复到以前的状态"的时候抛出。值得注意的还有:
「一个线程必须成为此对象的监视器锁的拥有者才能正常调用wait()
系列方法,也就是wait()
系列方法必须在同步代码块(synchronized
代码块)中调用,否则会抛出IllegalMonitorStateException
异常」,这一点是初学者或者不了解wait()
的机制的开发者经常会犯的问题。
上面的五点描述可以写个简单的同步代码块伪代码时序总结一下:
final Object lock = new Object();
synchronized(lock){
1、线程进入同步代码块,意味着获取对象监视器锁成功
while(!condition){
lock.wait(); 2.线程调用wait()进行阻塞等待
break;
}
3.线程从wait()的阻塞等待中被唤醒,恢复到第1步之后的同步状态
4.继续执行后面的代码,直到离开同步代码块
}
notify()
方法的方法签名如下:
@HotSpotIntrinsicCandidate
public final native void notify();
下面按照惯例翻译一下其API注释:
wait()
方法才能阻塞在对象监视器上。notify()
方法的线程)释放对象上的锁。被唤醒的线程会与其他线程竞争在对象上进行同步(换言之只有获得对象的同步控制权才能继续执行),在成为下一个锁定此对象的线程时,被唤醒的线程没有可靠的特权或劣势。the owner
)的时候才能调用,具体就是:同步方法中、同步代码块中或者静态同步方法中。否则,会抛出
IllegalMonitorStateException
异常。notifyAll()
方法的方法签名如下:
@HotSpotIntrinsicCandidate
public final native void notifyAll();
wait()
方法才能阻塞在对象监视器上。其他注释的描述和notify()
方法类似。
我们经常看到的资料中提到synchronized
关键字的用法:
Class
对象。对于同步代码块而言,synchronized
关键字抽象到字节码层面就是同步代码块中的字节码执行在monitorenter
和monitorexit
指令之间:
synchronized(xxxx){
...coding block
}
↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓
monitorenter;
...coding block - bytecode
monitorexit;
JVM
需要保证每一个monitorenter
都有一个monitorexit
与之相对应。任何对象都有一个monitor
(实际上是ObjectMonitor
)与之相关联,当且仅当一个monitor
被持有之后,它将处于锁定状态。线程执行到monitorenter
指令时,将会尝试获取对象所对应的monitor
所有权,即尝试获取对象的锁。
对于同步(静态)方法而言,synchronized
方法则会被翻译成普通的方法调用和返回指令,如:invokevirtual
等等,在JVM
字节码层面并没有任何特别的指令来实现被synchronized
修饰的方法,而是在Class
文件的方法表中将该方法的access_flags
字段中的synchronized
标志位置1,表示该方法是同步方法并使用调用该方法的对象或该方法所属的Class
在JVM
的内部对象表示Klass
作为锁对象。
其实从开发者角度简单理解,「这两种方式只是在获取锁的时机有所不同」。
下面重复阐述「几个第一眼看起来不合理却是事实的问题」(其实前文已经提及过):
synchronized
方法或者代码块,相当于获取监视器锁成功,如果此时成功调用
wait()
系列方法,那么它会立即释放监视器锁,并且添加到等待集合(
Wait Set
)中进行阻塞等待。synchronized
方法或者代码块之后,它可以调用
notify(All)
方法唤醒等待集合中正在阻塞的线程,但是这个唤醒操作并不是调用
notify(All)
方法后立即生效,而是在该线程
「退出synchronized
方法或者代码块之后才生效」。wait()
方法阻塞过程中被唤醒的线程会竞争监视器目标对象的控制权,一旦重新控制了对象,那么线程的同步状态就会恢复到步入
synchronized
方法或者代码块时候的状态(也就是成功获取到对象监视器锁时候的状态),这个时候线程才能够继续执行。为了验证这三点,可以写个简单的Demo
:
public class Lock {
}
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 {
// 这里换成Object其实也没有问题
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]-线程[%s]获取锁成功,准备执行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]-线程[%s]从wait中唤醒,准备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]-线程[%s]获取锁成功,准备执行notifyAll方法", F.format(LocalDateTime.now()),
Thread.currentThread().getName()));
lock.notifyAll();
System.out.println(String.format("[%s]-线程[%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]-线程[%s]准备exit", F.format(LocalDateTime.now()),
Thread.currentThread().getName()));
}
}
}
}
某个时刻的执行结果如下:
[2019-04-27 23:28:17.617]-线程[WaitThread-1]获取锁成功,准备执行wait方法
[2019-04-27 23:28:17.631]-线程[WaitThread-2]获取锁成功,准备执行wait方法
[2019-04-27 23:28:17.657]-线程[NotifyThread]获取锁成功,准备执行notifyAll方法 <-------- 这一步执行完说明WaitThread已经释放了锁
[2019-04-27 23:28:17.657]-线程[NotifyThread]先休眠3000ms
[2019-04-27 23:28:20.658]-线程[NotifyThread]准备exit <------- 这一步后NotifyThread离开同步代码块
[2019-04-27 23:28:20.658]-线程[WaitThread-1]从wait中唤醒,准备exit <------- 这一步WaitThread-1解除阻塞
[2019-04-27 23:28:21.160]-线程[WaitThread-2]从wait中唤醒,准备exit <------- 这一步WaitThread-2解除阻塞,注意发生时间在WaitThread-1解除阻塞500ms之后,符合我们前面提到的第3点
如果结合wait()
和notify()
可以简单总结出一个同步代码块的伪代码如下:
final Object lock = new Object();
// 等待
synchronized(lock){
1、线程进入同步代码块,意味着获取对象监视器锁成功
while(!condition){
lock.wait(); 2.线程调用wait()进行阻塞等待
break;
}
3.线程从wait()的阻塞等待中被唤醒,尝试恢复第1步之后的同步状态,并不会马上生效,直到notify被调用并且调用notify方法的线程已经释放锁,同时当前线程需要竞争成功
4.继续执行后面的代码,直到离开同步代码块
}
// 唤醒
synchronized(lock){
1、线程进入同步代码块,意味着获取对象监视器锁成功
lock.notify(); 2.唤醒其中一个在对象监视器上等待的线程
3.准备推出同步代码块释放锁,只有释放锁之后第2步才会生效
}
结合前面分析过的知识点以及参考资料中的文章,重新画一个图理解一下对象监视器以及相应阻塞和唤醒API
的工作示意过程:
Entry Set
(实际上是
ObjectMonitor
中的
_EntryList
属性):存放等待锁并且处于阻塞状态的线程。Wait Set
(实际上是
ObjectMonitor
中的
_WaitSet
属性):存放处于等待阻塞状态的线程。The Owner
(实际上是
ObjectMonitor
中的
_owner
属性):指向获得对象监视器的线程,在同一个时刻只能有一个线程被
The Owner
持有,通俗来看,它就是监视器的控制权。通过Object
提供的阻塞和唤醒机制举几个简单的使用例子。
假设有以下场景:厕所的只有一个卡位,厕所维修工修厕所的时候,任何人不能上厕所。当厕所维修工修完厕所的时候,上厕所的人需要"得到厕所的控制权"才能上厕所。
// 厕所类
public class Toilet {
// 厕所的锁
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;
}
}
// 厕所维修工
@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]-厕所维修员得到了厕所的锁,维修厕所要用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]-厕所维修员维修完毕...", LocalDateTime.now().format(F)));
}
}
}
//上厕所的任务
@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得到了厕所的锁...", LocalDateTime.now().format(F), name));
while (!toilet.getAvailable()) {
try {
toilet.getLock().wait();
} catch (InterruptedException e) {
//ignore
}
int time = random.nextInt(3) + 1;
try {
// 模拟上厕所用时
TimeUnit.SECONDS.sleep(time);
} catch (InterruptedException e) {
//ignore
}
System.out.println(String.format("[%s]-%s上厕所用了%s秒...", LocalDateTime.now().format(F), name, time));
}
}
}
}
// 场景入口
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, "张三", 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);
}
}
某次执行的结果如下:
[2019-04-29 01:07:25.914]-张三得到了厕所的锁...
[2019-04-29 01:07:25.931]-李四得到了厕所的锁...
[2019-04-29 01:07:25.931]-王五得到了厕所的锁...
[2019-04-29 01:07:25.951]-厕所维修员得到了厕所的锁,维修厕所要用5000ms...
[2019-04-29 01:07:30.951]-厕所维修员维修完毕...
[2019-04-29 01:07:32.952]-张三上厕所用了2秒...
[2019-04-29 01:07:35.952]-王五上厕所用了3秒...
[2019-04-29 01:07:37.953]-李四上厕所用了2秒...
实现一个简单固定容量的阻塞队列,接口如下:
public interface BlockingQueue {
void put(T value) throws InterruptedException;
T take() throws InterruptedException;
}
其中put(T value)
会阻塞直到队列中有可用的容量,而take()
方法会阻塞直到有元素投放到队列中。实现如下:
public class DefaultBlockingQueue implements BlockingQueue {
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;
}
}
场景入口类:
public class Main {
public static void main(String[] args) throws Exception {
BlockingQueue queue = new DefaultBlockingQueue<>(5);
Runnable r = () -> {
while (true) {
try {
String take = queue.take();
System.out.println(String.format("线程%s消费消息-%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);
}
}
某次执行结果如下:
线程thread-1消费消息-0
线程thread-2消费消息-1
线程thread-1消费消息-2
线程thread-2消费消息-3
线程thread-1消费消息-4
线程thread-2消费消息-5
线程thread-1消费消息-6
线程thread-2消费消息-7
线程thread-1消费消息-8
线程thread-2消费消息-9
上面这个例子就是简单的单生产者-多消费者的模型。
这里实现一个极度简陋的固定容量的线程池,功能是:初始化固定数量的活跃线程,阻塞直到有可用的线程用于提交任务。它只有一个接口方法,接口定义如下:
public interface ThreadPool {
void execute(Runnable runnable);
}
具体实现如下:
public class DefaultThreadPool implements ThreadPool {
private final int capacity;
private List initWorkers;
private Deque availableWorkers;
private Deque 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);
}
}
}
}
}
}
编写一个场景类:
public class MainClient {
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]-任务一开始执行持续3秒...", LocalDateTime.now().format(F)));
Thread.sleep(3000);
System.out.println(String.format("[%s]-任务一执行结束...", LocalDateTime.now().format(F)));
}catch (Exception e){
//ignore
}
});
threadPool.execute(() -> {
try {
System.out.println(String.format("[%s]-任务二开始执行持续4秒...", LocalDateTime.now().format(F)));
Thread.sleep(4000);
System.out.println(String.format("[%s]-任务二执行结束...", LocalDateTime.now().format(F)));
}catch (Exception e){
//ignore
}
});
threadPool.execute(() -> {
try {
System.out.println(String.format("[%s]-任务三开始执行持续5秒...", LocalDateTime.now().format(F)));
Thread.sleep(5000);
System.out.println(String.format("[%s]-任务三执行结束...", LocalDateTime.now().format(F)));
}catch (Exception e){
//ignore
}
});
Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
}
}
某次执行结果如下:
[2019-04-29 02:07:25.465]-任务二开始执行持续4秒...
[2019-04-29 02:07:25.465]-任务一开始执行持续3秒...
[2019-04-29 02:07:28.486]-任务一执行结束...
[2019-04-29 02:07:28.486]-任务三开始执行持续5秒...
[2019-04-29 02:07:29.486]-任务二执行结束...
[2019-04-29 02:07:33.487]-任务三执行结束...
鉴于笔者C
语言学得不好,这里就无法深入分析JVM
源码的实现,只能结合一些现有的资料和自己的理解重新梳理一下Object
提供的阻塞和唤醒机制这些知识点。结合之前看过JUC
同步器的源码,一时醒悟过来,JUC
同步器只是在数据结构和算法层面使用Java
语言对原来JVM
中C
语言的阻塞和唤醒机制即Object
提供的那几个JNI
方法进行了一次实现而已。
最后,Object
提供的阻塞等待唤醒机制是JVM
实现的(如果特别熟悉C
语言可以通过JVM
源码研究其实现,对于大部分开发者来说这部分的知识其实是暗箱),除非是特别熟练或者是JDK
版本太低尚未引入JUC
包(JUC
包是JDK1.5
或者之后才加入到JDK
中)。一般情况下「不应该优先选择Object
」,一方面因为Object
提供的API
是Native
方法,其功能有可能受到JVM
版本的影响(有可能带来性能提升这样的正面影响,也有可能是负面影响),另一方面Object
提供的API
其实并不灵活。综合来看,实际开发中更建议使用专门为并发设计的JUC
包中的锁相关类库,例如可重入锁ReentrantLock
。
❝话虽然这样说,但是笔者发现了在JDK1.5之后的一些版本中,有部分原来使用了
❞ReentrantLock
的类库被重新换回去Object
提供的API
以及synchronized
,原因是:更喜欢使用synchronized和Object Monitor。具体是哪些类一时想不起来,是很久一段时间之前看源码的注释看到的。看来JDK的开发者也是有脾气的.....
直到JDK11
为止,还有大量的JDK
类库使用了Object
提供的API
以及synchronized
关键字实现的阻塞和唤醒功能,此所谓存在即合理。
关于“Object提供的阻塞和唤醒API有什么用”这篇文章就分享到这里了,希望以上内容可以对大家有一定的帮助,使各位可以学到更多知识,如果觉得文章不错,请把它分享出去让更多的人看到。