Java 并发学习笔记（二）

请参看前一篇文章：Java 并发学习笔记（一）——原子性、可见性、有序性问题

六、等待—通知机制

什么是等待通知—机制？当线程不满足某个条件，则进入等待状态；如果线程满足要求的某个条件后，则通知等待的线程重新执行。

等待通知机制的流程一般是这样的：线程首先获取互斥锁，当不满足某个条件的时候，释放互斥锁，并进入这个条件的等待队列；一直等到满足了这个条件之后，通知等待的线程，并且需要重新获取互斥锁。

1. 等待-通知机制的简单实现

等待-通知机制可以使用 Java 的 synchronized 关键字，配合 wait()、notify()、notifyAll() 这个三个方法来实现。

前面说到的解决死锁问题的那个例子，一次性申请所有的资源，使用的是循环等待，这在并发量很大的时候比较消耗 CPU 资源。

现在使用等待-通知机制进行优化：

final class Monitor {
    
    private List<Object> res = new ArrayList<>(2);
    
    /**
     * 一次性申请资源 
     */
    public synchronized void apply(Object resource1, Object resource2) {
        while (res.contains(resource1) || res.contains(resource2)){
            try {
                //条件不满足则进入等待队列
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        res.add(resource1);
        res.add(resource2);
    }
    /** 
     * 归还资源 
     */
    public synchronized void free(Object resource1, Object resource2){
        res.remove(resource1);
        res.remove(resource2);
        //释放资源之后，通知等待的线程开始执行
        this.notifyAll();
    }
}

2. 需要注意的地方

1) 每个互斥锁都有相应的等待队列，例如上面的例子，就存在两个等待队列，一是 synchronized 入口等待队列，二是 while 循环这个条件的等待队列。

2) 调用 wait() 方法，会使当前线程释放持有的锁，并进入这个条件的等待队列。满足条件之后，队列中的线程被唤醒，不是马上执行，而是需要重新获取互斥锁。例如上图中，if 条件的队列中的线程被唤醒后，需要重新进入 synchronized 处获取互斥锁。

3. wait 和 sleep 的区别

相同点：两个方法都会让渡 CPU 的使用权，等待再次被调度。

不同点：

• wait 属于 Object 的方法，sleep 是 Thread 的方法
• wait 只能在同步方法或同步块中调用，sleep 可以在任何地方调用
• wait 会释放线程持有的锁，sleep 不会释放锁资源

七、管程理论

1. 什么是管程？

指的是对共享变量和对共享变量的操作的管理，使其支持并发，对应到 Java，指的是管理类的成员变量和方法，让这个类是线程安全的。

2. 管程模型

管程主要的模型有 Hasen、Hoare、MESA ，其中 MESA 最常用。管程的 MESA 模型主要解决的是线程的互斥和同步问题，和上面说到的等待-通知机制十分类似。示意图如下：

首先看看管程是如何实现互斥的？在管程的入口有一个等待队列，一次只允许一个线程进入管程。每个条件对应一个等待队列，当线程不满足条件的时候，进入对应的等待队列；当条件满足的时候，队列中的线程被唤醒，重新进入到入口处的等待队列获取互斥锁，这就实现了线程的同步问题。

3. 管程的最佳实践

接下来使用代码实现了一个简单的阻塞队列，这就是一个很典型的管程模型，解决了线程互斥和同步问题。

public class BlockingQueue<T> {
    private int capacity;
    private int size;

    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition notFull = lock.newCondition();
    private final Condition notEmpty = lock.newCondition();

    /**
     * 入队列
     */
    public void enqueue(T data){
        lock.lock();
        try {
            //如果队列满了，需要等待，直到队列不满
            while (size >= capacity){
                notFull.await();
            }
            //入队代码，省略
            //入队之后，通知队列已经不为空了
            notEmpty.signal();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    /**
     * 出队列
     */
    public T dequeue(){
        lock.lock();
        try {
            //如果队列为空，需要等待，直到队列不为空
            while (size <= 0){
                notEmpty.await();
            }
            //出队代码，省略
            //出队列之后，通知队列已经不满了
            notFull.signal();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
        //实际应该返回出队数据
        return null;
    }
}

八、Java 中的线程

1. 线程的生命周期

Java 中的线程共分为了 6 种状态，分别是：

• NEW（初始化状态）
• RUNNABLE（可运行/运行状态）
• BLOCKED（阻塞状态）
• WAITING（无限时等待）
• TIMED_WAITING（限时等待）
• TERMINATED（终止状态）

2. 线程状态转换

• RUNNABLE 与 BLOCKED 状态的转换：在线程等待 synchronized 的锁时，会进入 BLOCKED 状态，当获取到锁之后，又转换到 RUNNABLE 状态。
• RUNNABLE 与 WAITING 状态的转换：1) 线程获取到 synchronized 锁之后，并且调用了 wait() 方法。 2) 调用 Thread.join() 方法，例如线程 A 调用 join() 方法，线程 B 等待 A 执行完毕，等待期间 B 进入 WAITING 状态，线程 A 执行完后，线程 B 切换到 RUNNABLE 状态。3) 调用 LockSupport.park() 方法
• RUNNABLE 与 TIMED_WAITING 状态的转换：以上三种情况，分别在方法中加上超时参数即可。另外还有两种情况：Thread.sleep(long millis) 方法，LockSupprt.parkNanos(Object blocker, long deadline)。

• NEW 到 RUNNABLE 状态的转换：在 Java 中新创建的线程，会立即进入 NEW 状态，然后启动线程进入 RUNNABLE 状态。Java 中新建线程一般有三种方式：

  • 继承 Thread 类

    public class MyThread extends Thread {
    
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("I am roseduan");
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            MyThread thread = new MyThread();
            thread.start();
        }
    }

  • 实现 Runnable 接口，并将其实现类传给 Thread 作为参数

    public class MyThread {
    
        public static void main(String[] args) {
            Thread thread = new Thread(new Print());
            thread.start();
        }
    }
    
    class Print implements Runnable{
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("I am roseduan");
        }
    }

  • 实现 Collable 接口，将其实现类传给线程池执行，并且可以获取返回结果

    public class ThreadTest {
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            //线程池
            BlockingQueue<Runnable> queue = new LinkedBlockingQueue<>(5);
            ThreadPoolExecutor threadPool = new ThreadPoolExecutor(5, 10, 1,
                    TimeUnit.HOURS, queue);
            //执行
            Future<?> submit = threadPool.submit(new Demo());
        }
    }
    
    class Demo implements Callable<String> {
    
        @Override
        public String call() {
            System.out.println("I am roseduan");
            return "I am roseduan";
        }
    }

• NEW 到 TERMINATED 状态的转换：线程执行完 run() 方法后，会自动切换到 TERMINATED 状态。如果手动中止线程，可以使用 interrupt() 方法。

3. 局部变量的线程安全性

局部变量存在于方法中，每个方法都有对应的调用栈帧，由于每个线程都有自己独立的方法调用栈，因此局部变量并没有被共享。所以即便多个线程同时调用同一个方法，方法内部的局部变量也是线程安全的，不需要单独加锁。

经极客时间《Java 并发编程实战》专栏内容学习整理