并发编程之第三篇（synchronized）

并发编程之第三篇（synchronized）

• 3. 自旋优化
• 4. 偏向锁
• 撤销-其它线程使用对象
• 撤销-调用wait/notify
• 批量重偏向
• 批量撤销
• 5. 锁消除
• 4.7 wait/notify
• API介绍
• 4.8 wait notify的正确姿势
• 同步模式之保护性暂停
• 异步模式之生产者/消费者
• 4.9 Park & Unpark
• 原理之park & unpark
• 4.10 重新理解线程状态转换

3. 自旋优化

重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋来进行优化，如果当前线程自旋成功（即这时候持锁线程已经退出了同步块，释放了锁），这时当前线程就可以避免阻塞。
自旋重试成功的情况

自旋重试失败的情况

• 在Java6之后自旋锁是自适应的，比如对象刚刚的一次自旋操作成功过，那么认为这次自旋成功的可能性会高，就多自旋几次；反之，就少自旋甚至不自旋，总之，比较智能。
• 自旋会占用CPU时间，单核CPU自旋就是浪费，多核CPU自旋才能发挥优势。
• Java7之后不能控制是否开启自旋功能

4. 偏向锁

轻量级锁在没有竞争时（就自己这个线程），每次重入任然需要执行CAS操作。
Java6中引入了偏向锁来做进一步优化 ：只有第一次使用CAS将线程ID设置到对象的Mark Word头，之后发现这个线程ID是自己的就表示没有竞争，不用重新CAS。以后只要不发生竞争，这个对象就归该线程所有
例如 ：



偏向状态
回忆一下对象头格式

一个对象创建时 ：

• 如果开启了偏向锁（默认开启），那么对象创建后，markword值为0x05即最后3位为101，这时它的thread、epoch、age都为0
• 偏向锁是默认是延迟的，不会在程序启动时立即生效，如果想避免延迟，可以加VM参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0来禁用延迟
• 如果没有开启偏向锁，那么对象创建后，markwork值为0x01即最后3位为001，这时它的hashcode、age都为0，第一次用到hashcode时才会赋值
  1）测试延迟特性
  2）测试偏向锁
  class Dog{}
  利用jol第三方工具来查看对象头信息（注意这里我扩展了jol让它输出更为简洁）
  
  输出
  
  注意
  处于偏向锁的对象解锁后，线程id任存储于对象头中
  3）测试禁用
  在上面测试代码运行时在添加VM参数 -xx: -UseBiasedLocking禁用偏向锁
  输出
  
  4）测试hashcode
  调用hashcode以后，会禁用偏向锁，因为对象头中没有地方存储偏向锁的线程id了。（hashcode为31位，thread为54位）
  调用了对象的hashCode，但偏向锁的对象MarkWord中存储的是线程id，如果调用hashCode会导致偏向锁被撤销
• 轻量级锁会在锁记录中记录hashCode
• 重量级锁会在Monitor中记录hashCode
  在调用hashCode后使用偏向锁，记得去掉 -xx: -UseBiasedLocking
  
  输出
  

撤销-其它线程使用对象

当有其它线程使用偏向锁对象时，会将偏向锁升级为轻量级锁

撤销-调用wait/notify

批量重偏向

如果对象虽然被多个线程访问，但没有竞争，这时偏向了线程T1的对象仍有机会重新偏向T2，重新偏向重置对象的Thread ID
当撤销偏向锁阈值超过20次后，jvm会这样觉得，我是不是偏向错了，于是会在给这些对象加锁时重新偏向至加锁线程

批量撤销

当撤销偏向锁阀值超过40次后，jvm会这样觉得，自己确实偏向错了，根本就不该偏向。于是整个类的所有对象都会变为不可偏向的，新建的对象也是不可偏向的

5. 锁消除

锁消除

4.7 wait/notify

• Owner线程发生条件不满足，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，但唤醒后并不意味着立刻获得锁，任需进入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
  
  

4.8 wait notify的正确姿势

sleep（long n）和wait（long n）的区别
1）sleep是Thread方法，而wait是Object的方法
2）sleep不需要强制和synchronized配合使用，但wait需要和synchronized一起用
3）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
4）它们状态都是TIMED_WAITING

wait和notify正确使用姿势

同步模式之保护性暂停

即Guarded Suspension，用在一个线程待得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
  
  

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
• 生产者仅负责生产结果数据，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 com.example.demo;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.LinkedList;

@Slf4j()
public class Test1 {

    public static void main(String[] args) {
        MessageQueue messageQueue = new MessageQueue(2);

        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            int id = i;
            new Thread(() -> {
                messageQueue.put(new Message(id, "值" + id));
            }, "生产者" + i).start();
        }

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

}

/**
 * 消息队列类，java线程之间通信
 */
@Slf4j(topic = "cn.Message")
class MessageQueue {

    /**
     * 消息的队列集合
     */
    private LinkedList<Message> linkedList = new LinkedList<>();

    /**
     * 队列容量
     */
    private int capcity;

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

    /**
     * 获取消息
     */
    public Message take() {
        // 检查对象是否为空
        synchronized (linkedList) {
            while (linkedList.isEmpty()) {
                try {
                    log.info("队列为空，消费者线程等待");
                    linkedList.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            // 从队列头部获取消息并返回
            Message message = linkedList.removeFirst();
            log.info("已消费消息 ： {}", message);
            linkedList.notifyAll();
            return message;
        }
    }

    /**
     * 存入消息
     */
    public void put(Message message) {
        synchronized (linkedList) {
            // 检查对象是否已满
            while (linkedList.size() == capcity) {
                try {
                    log.info("队列已满，生产者线程等待");
                    linkedList.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            // 将消息添加到队列的尾部
            linkedList.addLast(message);
            log.info("已生产消息 ： {}", message);
            linkedList.notifyAll();
        }
    }
}

class Message {
    private int id;
    private Object value;

    public Message(int id, Object value) {
        this.id = id;
        this.value = value;
    }

    public int getId() {
        return id;
    }

    public Object getValue() {
        return value;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Message{" +
                "id=" + id +
                ", value=" + value +
                '}';
    }
}

4.9 Park & Unpark

基本使用
它们是LockSupport类中的方法

先看park再unpark

输出

特点
与Object的wait&notify相比

• wait，notify和notifyAll必须配合Object Monitor一起使用，而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

原理之park & unpark

每个线程都有自己的一个Parker对象，由三部分组成_counter,_cond和_mutex打个比喻

• 线程就像一个旅人，Parker就像他随身携带的背包，条件变量就好比被告中的帐篷。_counter就好比背包中的备用干粮（0位耗尽，1位充足）
• 调用park就是要看需不需要停下来歇息
  • 如果备用干粮耗尽，那么钻进帐篷歇息
  • 如果备用干粮充足，那么不需停留，继续前进
• 调用unpark，就好比令干粮充足
  • 如果这时线程还在帐篷，就唤醒让他继续前进
  • 如果这时线程还在运行，那么下次他调用park时，仅是消耗掉备用干粮，不需停留继续前进
    • 因为背包空间有限，多次调用unpark仅会补充一份备用干粮
      

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

4.10 重新理解线程状态转换

假设有线程Thread t

情况1 New --》RUNNABLE

• 当调用 t.start()方法时，由NEW --》RUNNABLE

情况2 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3 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4 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5 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
  • 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6 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7 RUNABLE < – > 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8 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9 RUNNABLE <–>BLOCKED

• t线程用synchronized（obj）获取对象锁时如果竞争失败，从RUNNABLE --> BLOCKED
• 持有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，如果其他t线程竞争成功，从BLOCKED --> RUNNABLE，其它失败的线程仍然BLOCKED

情况10 RUNNABLE < – > TERMINATED
当前线程所有代码运行完毕，进入TERMINATED