Java并发 -- 等待-通知机制

栏目: Java · 发布时间: 5年前

内容简介:Java语言原生支持的等待-通知机制:
  1. 在《Java并发 – 死锁》中,通过破坏 占用且等待 条件来规避死锁,核心代码如下
    • while (!allocator.apply(this, target)) {}
  2. 如果apply()操作的时间非常短,并且并发不大,该方案还能应付
  3. 一旦apply()操作比较耗时,或者并发比较大,该方案就不适用了
    • 因为这可能需要循环上万次才能获得锁,非常 消耗CPU
  4. 最好的方案: 等待-通知
    • 当线程要求的条件不满足,则线程 阻塞 自己,进入 等待 状态
    • 当线程要求的条件满足后,通知等待的线程,重新开始执行
    • 线程阻塞能够避免因循环等待而消耗CPU的问题
  5. Java语言原生支持 等待-通知机制
    • 线程 首先获取互斥锁 ,当线程要求的条件 不满足 时, 释放互斥锁 ,进入等待状态
    • 当要求的条件满足时,通知等待的线程, 重新获取互斥锁

等待-通知机制

Java语言原生支持的等待-通知机制: synchronized + wait + notify/notifyAll

wait

Java并发 -- 等待-通知机制

  1. 每个互斥锁有两个独立的等待队列 ,如上图所示,等待队列L和等待队列R
  2. 左边有一个 等待队列 (等待队列L), 在同一时刻,只允许一个线程进入synchronized保护的临界区
  3. 当已经有一个线程进入synchronized保护的临界区后,其他线程就只能进入等待队列L进行等待
  4. 当一个线程 进入临界区后 ,由于某些条件 不满足 ,需要进入 等待 状态,可以调用wait()方法
  5. 当调用wait()方法后,当前线程就会被 阻塞 ,并且进入到 右边的等待队列 (等待队列R)
    • 线程在进入等待队列R的同时,会 释放持有的互斥锁 ,其他线程就有机会获得锁,并进入临界区
  6. 关键点: sleep不会释放互斥锁

notify/notifyAll

Java并发 -- 等待-通知机制

  1. 当线程要求的条件满足时,可以通过 notify/notifyAll 来通知等待的线程
  2. 当条件满足时调用notify(),会通知等待队列R( 将等待队列L中第1个节点移到等待队列R )中的线程,告知它 条件曾经满足
    • notify()只能保证在通知的时间点,条件是满足的
    • 被通知线程的执行时间点通知时间点 基本上 不会重合 ,当线程执行的时候,条件很可能已经不满足了
  3. 被通知的线程如果想要 重新执行 ,仍然需要先获取到 互斥锁
    • 因为曾经获取到的锁在调用wait()时已经 释放
  4. 关键点: 执行notify/notifyAll并不会释放互斥锁,在synchronized代码块结束后才真正的释放互斥锁

编码范式

while (条件不满足) {
    wait();
}
  1. 可以解决 条件曾经满足 的问题
  2. 当wait()返回时,条件有可能已经改变了,需要重新检验条件是否满足,如果不满足,继续wait()

notifyAll

  1. 尽量使用notifyAll()
  2. notify():会 随机 地通知等待队列R中的 一个 线程
    • 隐含动作:先将等待队列L的 第一个节点 移动到等待队列R
  3. notifyAll():会通知等待队列R中的 所有 线程
    • 隐含动作:先将等待队列L的 所有节点 移动到等待队列R(待确定是否正确)
  4. notify()的风险: 可能导致某些线程永远不会被通知到
    • 假设有资源A、B、C、D,线程1~4都对应 同一个 互斥锁L
    • 线程1申请到了AB,线程2申请到了CD
    • 此时线程3申请AB,会进入互斥锁L的等待队列L,线程4申请CD,也会进入互斥锁L的等待队列L
    • 线程1归还AB,通过notify()来通知互斥锁L的等待队列R中的线程,假设为线程4(先被移动到等待队列R)
    • 但线程4申请的是CD,不满足条件,执行wait(),而真正该被唤醒的线程3就再也没有机会被唤醒了

等待队列

  1. wait/notify/notifyAll操作的等待队列都是 互斥锁的等待队列
  2. 如果synchronized锁定的是this,那么对应的一定是this.wait()/this.notify()/this.notifyAll()
  3. 如果synchronized锁定的是target,那么对应的一定是target.wait()/target.notify()/target.notifyAll()
  4. 上面这3个方法能够被调用的前提是 已经获取了相应的互斥锁 ,都必须在synchronized内部被调用
  5. 如果在synchronized外部调用,或者锁定的是this,而调用的是target.wait(),JVM会抛出IllegalMonitorStateException
public class IllegalMonitorStateExceptionTest {
    private Object lockA = new Object();
    private Object lockB = new Object();

    @Test
    public void test1() throws InterruptedException {
        // java.lang.IllegalMonitorStateException
        lockA.wait();
    }

    @Test
    public void test2() throws InterruptedException {
        synchronized (lockA) {
            // java.lang.IllegalMonitorStateException
            lockB.wait();
        }
    }
}

转账实例

Allocator

public class Allocator {

    private static class Holder {
        private static Allocator allocator = new Allocator();
    }

    public static Allocator getInstance() {
        return Holder.allocator;
    }

    private Allocator() {
    }

    private List<Object> als = new ArrayList<>();

    // 一次性申请所有资源
    public synchronized void apply(Object from, Object to) {
        // 编程范式
        while (als.contains(from) || als.contains(to)) {
            try {
                wait(); // this,单例
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        als.add(from);
        als.add(to);
    }

    // 归还资源
    public synchronized void free(Object from, Object to) {
        als.remove(from);
        als.remove(to);
        notifyAll(); // this,单例
    }
}

Account

public class Account {
    // 必须是单例,因为要分配和释放资源
    private Allocator allocator = Allocator.getInstance();
    // 账户余额
    private int balance;

    // 转账
    public void transfer(Account target, int amt) {
        // 一次性申请转出账户和转入账户
        allocator.apply(this, target);

        try {
            // 锁定转出账户
            synchronized (this) {
                // 锁定转入账户
                synchronized (target) {
                    if (balance > amt) {
                        balance -= amt;
                        target.balance += amt;
                    }
                }
            }
        } finally {
            allocator.free(this, target);
        }
    }
}

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