JAVA中的锁机制
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村长大神 发表于3年前
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Java中的锁

java

锁像synchronized同步块一样,是一种线程同步机制,但比Java中的synchronized同步块更复杂。因为锁(以及其它更高级的线程同步机制)是由synchronized同步块的方式实现的,所以我们还不能完全摆脱synchronized关键字(译者注:这说的是Java 5之前的情况)。

自Java 5开始,java.util.concurrent.locks包中包含了一些锁的实现,因此你不用去实现自己的锁了。但是你仍然需要去了解怎样使用这些锁,且了解这些实现背后的理论也是很有用处的。可以参考我对java.util.concurrent.locks.Lock的介绍,以了解更多关于锁的信息。

一个简单的锁

让我们从java中的一个同步块开始:

public class Counter{
    private int count = 0;

    public int inc(){
        synchronized(this){
            return ++count;
        }
    }
}

可以看到在inc()方法中有一个synchronized(this)代码块。该代码块可以保证在同一时间只有一个线程可以执行return ++count。虽然在synchronized的同步块中的代码可以更加复杂,但是++count这种简单的操作已经足以表达出线程同步的意思。

以下的Counter类用Lock代替synchronized达到了同样的目的:

public class Counter{
    private Lock lock = new Lock();
    private int count = 0;

    public int inc(){
        lock.lock();
        int newCount = ++count;
        lock.unlock();
        return newCount;
    }
}

lock()方法会对Lock实例对象进行加锁,因此所有对该对象调用lock()方法的线程都会被阻塞,直到该Lock对象的unlock()方法被调用。

这里有一个Lock类的简单实现:

public class Counter{
public class Lock{
    private boolean isLocked = false;

    public synchronized void lock()
        throws InterruptedException{
        while(isLocked){
            wait();
        }
        isLocked = true;
    }

    public synchronized void unlock(){
        isLocked = false;
        notify();
    }
}

注意其中的while(isLocked)循环,它又被叫做“自旋锁”。自旋锁以及wait()和notify()方法在线程通信这篇文章中有更加详细的介绍。当isLocked为true时,调用lock()的线程在wait()调用上阻塞等待。为防止该线程没有收到notify()调用也从wait()中返回(也称作虚假唤醒),这个线程会重新去检查isLocked条件以决定当前是否可以安全地继续执行还是需要重新保持等待,而不是认为线程被唤醒了就可以安全地继续执行了。如果isLocked为false,当前线程会退出while(isLocked)循环,并将isLocked设回true,让其它正在调用lock()方法的线程能够在Lock实例上加锁。

当线程完成了临界区(位于lock()和unlock()之间)中的代码,就会调用unlock()。执行unlock()会重新将isLocked设置为false,并且通知(唤醒)其中一个(若有的话)在lock()方法中调用了wait()函数而处于等待状态的线程。

锁的可重入性

Java中的synchronized同步块是可重入的。这意味着如果一个java线程进入了代码中的synchronized同步块,并因此获得了该同步块使用的同步对象对应的管程上的锁,那么这个线程可以进入由同一个管程对象所同步的另一个java代码块。下面是一个例子:

public class Reentrant{
    public synchronized outer(){
        inner();
    }

    public synchronized inner(){
        //do something
    }
}

注意outer()和inner()都被声明为synchronized,这在Java中和synchronized(this)块等效。如果一个线程调用了outer(),在outer()里调用inner()就没有什么问题,因为这两个方法(代码块)都由同一个管程对象(”this”)所同步。如果一个线程已经拥有了一个管程对象上的锁,那么它就有权访问被这个管程对象同步的所有代码块。这就是可重入。线程可以进入任何一个它已经拥有的锁所同步着的代码块。

前面给出的锁实现不是可重入的。如果我们像下面这样重写Reentrant类,当线程调用outer()时,会在inner()方法的lock.lock()处阻塞住。

public class Reentrant2{
    Lock lock = new Lock();

    public outer(){
        lock.lock();
        inner();
        lock.unlock();
    }

    public synchronized inner(){
        lock.lock();
        //do something
        lock.unlock();
    }
}

调用outer()的线程首先会锁住Lock实例,然后继续调用inner()。inner()方法中该线程将再一次尝试锁住Lock实例,结果该动作会失败(也就是说该线程会被阻塞),因为这个Lock实例已经在outer()方法中被锁住了。

两次lock()之间没有调用unlock(),第二次调用lock就会阻塞,看过lock()实现后,会发现原因很明显:

public class Lock{
    boolean isLocked = false;

    public synchronized void lock()
        throws InterruptedException{
        while(isLocked){
            wait();
        }
        isLocked = true;
    }

    ...
}

一个线程是否被允许退出lock()方法是由while循环(自旋锁)中的条件决定的。当前的判断条件是只有当isLocked为false时lock操作才被允许,而没有考虑是哪个线程锁住了它。

为了让这个Lock类具有可重入性,我们需要对它做一点小的改动:

public class Lock{
    boolean isLocked = false;
    Thread  lockedBy = null;
    int lockedCount = 0;

    public synchronized void lock()
        throws InterruptedException{
        Thread callingThread =
            Thread.currentThread();
        while(isLocked && lockedBy != callingThread){
            wait();
        }
        isLocked = true;
        lockedCount++;
        lockedBy = callingThread;
  }

    public synchronized void unlock(){
        if(Thread.curentThread() ==
            this.lockedBy){
            lockedCount--;

            if(lockedCount == 0){
                isLocked = false;
                notify();
            }
        }
    }

    ...
}

注意到现在的while循环(自旋锁)也考虑到了已锁住该Lock实例的线程。如果当前的锁对象没有被加锁(isLocked = false),或者当前调用线程已经对该Lock实例加了锁,那么while循环就不会被执行,调用lock()的线程就可以退出该方法(译者注:“被允许退出该方法”在当前语义下就是指不会调用wait()而导致阻塞)

除此之外,我们需要记录同一个线程重复对一个锁对象加锁的次数。否则,一次unblock()调用就会解除整个锁,即使当前锁已经被加锁过多次。在unlock()调用没有达到对应lock()调用的次数之前,我们不希望锁被解除。

现在这个Lock类就是可重入的了。

锁的公平性

Java的synchronized块并不保证尝试进入它们的线程的顺序。因此,如果多个线程不断竞争访问相同的synchronized同步块,就存在一种风险,其中一个或多个线程永远也得不到访问权——也就是说访问权总是分配给了其它线程。这种情况被称作线程饥饿。为了避免这种问题,锁需要实现公平性。本文所展现的锁在内部是用synchronized同步块实现的,因此它们也不保证公平性。饥饿和公平中有更多关于该内容的讨论。

在finally语句中调用unlock()

如果用Lock来保护临界区,并且临界区有可能会抛出异常,那么在finally语句中调用unlock()就显得非常重要了。这样可以保证这个锁对象可以被解锁以便其它线程能继续对其加锁。以下是一个示例:

lock.lock();
try{
    //do critical section code,
    //which may throw exception
} finally {
    lock.unlock();
}

这个简单的结构可以保证当临界区抛出异常时Lock对象可以被解锁。如果不是在finally语句中调用的unlock(),当临界区抛出异常时,Lock对象将永远停留在被锁住的状态,这会导致其它所有在该Lock对象上调用lock()的线程一直阻塞。

 

1、通过共享对象通信

线程间发送信号的一个简单方式是在共享对象的变量里设置信号值。线程A在一个同步块里设置boolean型成员变量hasDataToProcess为true,线程B也在同步块里读取hasDataToProcess这个成员变量。这个简单的例子使用了一个持有信号的对象,并提供了set和check方法:

public class MySignal{

  protected boolean hasDataToProcess = false;

  public synchronized boolean hasDataToProcess(){
    return this.hasDataToProcess;
  }

  public synchronized void setHasDataToProcess(boolean hasData){
    this.hasDataToProcess = hasData;
  }

}

线程A和B必须获得指向一个MySignal共享实例的引用,以便进行通信。如果它们持有的引用指向不同的MySingal实例,那么彼此将不能检测到对方的信号。需要处理的数据可以存放在一个共享缓存区里,它和MySignal实例是分开存放的。

2、忙等待(Busy Wait)

准备处理数据的线程B正在等待数据变为可用。换句话说,它在等待线程A的一个信号,这个信号使hasDataToProcess()返回true。线程B运行在一个循环里,以等待这个信号:

protected MySignal sharedSignal = ...

...

while(!sharedSignal.hasDataToProcess()){
  //do nothing... busy waiting
}

3、wait(),notify()和notifyAll()

忙等待没有对运行等待线程的CPU进行有效的利用,除非平均等待时间非常短。否则,让等待线程进入睡眠或者非运行状态更为明智,直到它接收到它等待的信号。

Java有一个内建的等待机制来允许线程在等待信号的时候变为非运行状态。java.lang.Object 类定义了三个方法,wait()、notify()和notifyAll()来实现这个等待机制。

一个线程一旦调用了任意对象的wait()方法,就会变为非运行状态,直到另一个线程调用了同一个对象的notify()方法。为了调用wait()或者notify(),线程必须先获得那个对象的锁。也就是说,线程必须在同步块里调用wait()或者notify()。以下是MySingal的修改版本——使用了wait()和notify()的MyWaitNotify:

public class MonitorObject{
}

public class MyWaitNotify{

  MonitorObject myMonitorObject = new MonitorObject();

  public void doWait(){
    synchronized(myMonitorObject){
      try{
        myMonitorObject.wait();
      } catch(InterruptedException e){...}
    }
  }

  public void doNotify(){
    synchronized(myMonitorObject){
      myMonitorObject.notify();
    }
  }
}

等待线程将调用doWait(),而唤醒线程将调用doNotify()。当一个线程调用一个对象的notify()方法,正在等待该对象的所有线程中将有一个线程被唤醒并允许执行(校注:这个将被唤醒的线程是随机的,不可以指定唤醒哪个线程)。同时也提供了一个notifyAll()方法来唤醒正在等待一个给定对象的所有线程。

如你所见,不管是等待线程还是唤醒线程都在同步块里调用wait()和notify()。这是强制性的!一个线程如果没有持有对象锁,将不能调用wait(),notify()或者notifyAll()。否则,会抛出IllegalMonitorStateException异常。

(校注:JVM是这么实现的,当你调用wait时候它首先要检查下当前线程是否是锁的拥有者,不是则抛出IllegalMonitorStateExcept,参考JVM源码的 1422行。)

但是,这怎么可能?等待线程在同步块里面执行的时候,不是一直持有监视器对象(myMonitor对象)的锁吗?等待线程不能阻塞唤醒线程进入doNotify()的同步块吗?答案是:的确不能。一旦线程调用了wait()方法,它就释放了所持有的监视器对象上的锁。这将允许其他线程也可以调用wait()或者notify()。

一旦一个线程被唤醒,不能立刻就退出wait()的方法调用,直到调用notify()的线程退出了它自己的同步块。换句话说:被唤醒的线程必须重新获得监视器对象的锁,才可以退出wait()的方法调用,因为wait方法调用运行在同步块里面。如果多个线程被notifyAll()唤醒,那么在同一时刻将只有一个线程可以退出wait()方法,因为每个线程在退出wait()前必须获得监视器对象的锁。

4、丢失的信号(Missed Signals)

notify()和notifyAll()方法不会保存调用它们的方法,因为当这两个方法被调用时,有可能没有线程处于等待状态。通知信号过后便丢弃了。因此,如果一个线程先于被通知线程调用wait()前调用了notify(),等待的线程将错过这个信号。这可能是也可能不是个问题。不过,在某些情况下,这可能使等待线程永远在等待,不再醒来,因为线程错过了唤醒信号。
为了避免丢失信号,必须把它们保存在信号类里。在MyWaitNotify的例子中,通知信号应被存储在MyWaitNotify实例的一个成员变量里。以下是MyWaitNotify的修改版本:

public class MyWaitNotify2{

  MonitorObject myMonitorObject = new MonitorObject();
  boolean wasSignalled = false;

  public void doWait(){
    synchronized(myMonitorObject){
      if(!wasSignalled){
        try{
          myMonitorObject.wait();
         } catch(InterruptedException e){...}
      }
      //clear signal and continue running.
      wasSignalled = false;
    }
  }

  public void doNotify(){
    synchronized(myMonitorObject){
      wasSignalled = true;
      myMonitorObject.notify();
    }
  }
}

留意doNotify()方法在调用notify()前把wasSignalled变量设为true。同时,留意doWait()方法在调用wait()前会检查wasSignalled变量。事实上,如果没有信号在前一次doWait()调用和这次doWait()调用之间的时间段里被接收到,它将只调用wait()。

(校注:为了避免信号丢失, 用一个变量来保存是否被通知过。在notify前,设置自己已经被通知过。在wait后,设置自己没有被通知过,需要等待通知。)

5、假唤醒

由于莫名其妙的原因,线程有可能在没有调用过notify()和notifyAll()的情况下醒来。这就是所谓的假唤醒(spurious wakeups)。无端端地醒过来了。

如果在MyWaitNotify2的doWait()方法里发生了假唤醒,等待线程即使没有收到正确的信号,也能够执行后续的操作。这可能导致你的应用程序出现严重问题。

为了防止假唤醒,保存信号的成员变量将在一个while循环里接受检查,而不是在if表达式里。这样的一个while循环叫做自旋锁(校注:这种做法要慎重,目前的JVM实现自旋会消耗CPU,如果长时间不调用doNotify方法,doWait方法会一直自旋,CPU会消耗太大)。被唤醒的线程会自旋直到自旋锁(while循环)里的条件变为false。以下MyWaitNotify2的修改版本展示了这点:

public class MyWaitNotify3{

  MonitorObject myMonitorObject = new MonitorObject();
  boolean wasSignalled = false;

  public void doWait(){
    synchronized(myMonitorObject){
      while(!wasSignalled){
        try{
          myMonitorObject.wait();
         } catch(InterruptedException e){...}
      }
      //clear signal and continue running.
      wasSignalled = false;
    }
  }

  public void doNotify(){
    synchronized(myMonitorObject){
      wasSignalled = true;
      myMonitorObject.notify();
    }
  }
}

留意wait()方法是在while循环里,而不在if表达式里。如果等待线程没有收到信号就唤醒,wasSignalled变量将变为false,while循环会再执行一次,促使醒来的线程回到等待状态。

6、多个线程等待相同信号

如果你有多个线程在等待,被notifyAll()唤醒,但只有一个被允许继续执行,使用while循环也是个好方法。每次只有一个线程可以获得监视器对象锁,意味着只有一个线程可以退出wait()调用并清除wasSignalled标志(设为false)。一旦这个线程退出doWait()的同步块,其他线程退出wait()调用,并在while循环里检查wasSignalled变量值。但是,这个标志已经被第一个唤醒的线程清除了,所以其余醒来的线程将回到等待状态,直到下次信号到来。

7、不要在字符串常量或全局对象中调用wait()

(校注:本章说的字符串常量指的是值为常量的变量)

本文早期的一个版本在MyWaitNotify例子里使用字符串常量(””)作为管程对象。以下是那个例子:

public class MyWaitNotify{

  String myMonitorObject = "";
  boolean wasSignalled = false;

  public void doWait(){
    synchronized(myMonitorObject){
      while(!wasSignalled){
        try{
          myMonitorObject.wait();
         } catch(InterruptedException e){...}
      }
      //clear signal and continue running.
      wasSignalled = false;
    }
  }

  public void doNotify(){
    synchronized(myMonitorObject){
      wasSignalled = true;
      myMonitorObject.notify();
    }
  }
}

在空字符串作为锁的同步块(或者其他常量字符串)里调用wait()和notify()产生的问题是,JVM/编译器内部会把常量字符串转换成同一个对象。这意味着,即使你有2个不同的MyWaitNotify实例,它们都引用了相同的空字符串实例。同时也意味着存在这样的风险:在第一个MyWaitNotify实例上调用doWait()的线程会被在第二个MyWaitNotify实例上调用doNotify()的线程唤醒。这种情况可以画成以下这张图:

起初这可能不像个大问题。毕竟,如果doNotify()在第二个MyWaitNotify实例上被调用,真正发生的事不外乎线程A和B被错误的唤醒了 。这个被唤醒的线程(A或者B)将在while循环里检查信号值,然后回到等待状态,因为doNotify()并没有在第一个MyWaitNotify实例上调用,而这个正是它要等待的实例。这种情况相当于引发了一次假唤醒。线程A或者B在信号值没有更新的情况下唤醒。但是代码处理了这种情况,所以线程回到了等待状态。记住,即使4个线程在相同的共享字符串实例上调用wait()和notify(),doWait()和doNotify()里的信号还会被2个MyWaitNotify实例分别保存。在MyWaitNotify1上的一次doNotify()调用可能唤醒MyWaitNotify2的线程,但是信号值只会保存在MyWaitNotify1里。

问题在于,由于doNotify()仅调用了notify()而不是notifyAll(),即使有4个线程在相同的字符串(空字符串)实例上等待,只能有一个线程被唤醒。所以,如果线程A或B被发给C或D的信号唤醒,它会检查自己的信号值,看看有没有信号被接收到,然后回到等待状态。而C和D都没被唤醒来检查它们实际上接收到的信号值,这样信号便丢失了。这种情况相当于前面所说的丢失信号的问题。C和D被发送过信号,只是都不能对信号作出回应。

如果doNotify()方法调用notifyAll(),而非notify(),所有等待线程都会被唤醒并依次检查信号值。线程A和B将回到等待状态,但是C或D只有一个线程注意到信号,并退出doWait()方法调用。C或D中的另一个将回到等待状态,因为获得信号的线程在退出doWait()的过程中清除了信号值(置为false)。

看过上面这段后,你可能会设法使用notifyAll()来代替notify(),但是这在性能上是个坏主意。在只有一个线程能对信号进行响应的情况下,没有理由每次都去唤醒所有线程。

所以:在wait()/notify()机制中,不要使用全局对象,字符串常量等。应该使用对应唯一的对象。例如,每一个MyWaitNotify3的实例(前一节的例子)拥有一个属于自己的监视器对象,而不是在空字符串上调用wait()/notify()。

校注:

管程 (英语:Monitors,也称为监视器) 是对多个工作线程实现互斥访问共享资源的对象或模块。这些共享资源一般是硬件设备或一群变量。管程实现了在一个时间点,最多只有一个线程在执行它的某个子程序。与那些通过修改数据结构实现互斥访问的并发程序设计相比,管程很大程度上简化了程序设计。

 

以一个例子来串烧下知识点:
上学的时候我们经常会去图书馆借书,这个我印象比较深刻(本来想举买火车票的例子)。图书馆里,有一本书叫《JAVA并发编程实战》,小A早上的时候把这本书借走了,小B中午的时候去图书馆找这本书,这里小A和小B分别是两个线程,他们都要看的书是共享资源。
1.通过共享资源通信
小B去了图书馆,发现这本书被借走了(执行了例子中的hasDataToProcess)。他回到家,等了几天,再去图书馆找这本书,发现这本书已经被还回,他顺利借走了书。
2.忙等待
其实小B在小A走后一会就把书还回去了,小A却在几天后才去找的书。为了早点借到书(减少延迟),小A可能就在图书馆等着,每隔几分钟(while循环)他就去检查这本书有没有被还回,这样只要小B一还回书,小A马上就会知道。
3.wait(),notify()和notifyAll()
很多次后,小A发现自己这样做太累了,身体有点吃不消。不过很快,学校图书馆系统改进,加入了短信通知功能(notify()),只要小B一还回书,立马会短信通知小A,这样小A就可以在家睡觉等短信了。
4.丢失的信号
学校图书馆系统是这么设计的:当一本书被还回来的时候,会给等待者发送短信,并且只会发一次,如果没有等待者,他也会发(只不过没有接收者)。问题出现了,因为短信只会发一次,当书被还回来的时候,没有人等待借书,他会发一条空短信,但是之后有等待借此本书的同学永远也不会再收到短信,导致这些同学会无休止的等待。为了避免这个问题,我们在等待的时候先打个电话问问图书馆管理员是否继续等待(if(!wasSignalled))。
5.假唤醒
图书馆系统还有一个BUG:系统会偶尔给你发条错误短信,说书可以借了(其实书不可以借)。我们之前已经给图书馆管理员打过电话了,他说让我们等短信。我们很听话,一等到短信(其实是bug引起的错误短信),就去借书了,到了图书馆后发现这书根本就没还回来!我们很郁闷,但也没办法啊,学校不修复BUG,我们得聪明点:每次在收到短信后,再打电话问问书到底能不能借(while(!wasSignalled))。

 

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