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Java并發(fā) 線程間的等待與通知

 更新時間:2019年10月17日 14:57:20   作者:方塊人  
這篇文章主要介紹了Java并發(fā) 線程間的等待與通知,文中通過示例代碼介紹的非常詳細,對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值,需要的朋友可以參考下

前言:

前面講完了一些并發(fā)編程的原理,現(xiàn)在我們要來學習的是線程之間的協(xié)作。通俗來說就是,當前線程在某個條件下需要等待,不需要使用太多系統(tǒng)資源。在某個條件下我們需要去喚醒它,分配給它一定的系統(tǒng)資源,讓它繼續(xù)工作。這樣能更好的節(jié)約資源。

一、Object的wait()與notify()

基本概念:

一個線程因執(zhí)行目標動作的條件未能滿足而被要求暫停就是wait,而一個線程滿足執(zhí)行目標動作的條件之后喚醒被暫停的線程就是notify。

基本模板:

synchronized (obj){
      //保護條件不成立
      while(flag){
        //暫停當前線程
        obj.wait();
      }
      //當保護條件成立,即跳出while循環(huán)執(zhí)行目標動作
      doAction();
    }

解析wait():Object.wait()的作用是使執(zhí)行線程被暫停,該執(zhí)行線程生命周期就變更為WAITING,這里注意一下,是無限等待,直到有notify()方法通知該線程喚醒。Object.wait(long timeout)的作用是使執(zhí)行線程超過一定時間沒有被喚醒就自動喚醒,也就是超時等待。Object.wait(long timeout,int naous)是更加精準的控制時間的方法,可以控制到毫微秒。這里需要注意的是wait()會在當前線程擁有鎖的時候才能執(zhí)行該方法并且釋放當前線程擁有的鎖,從而讓該線程進入等待狀態(tài),其他線程來嘗試獲取當前鎖。也就是需要申請鎖與釋放鎖。

解析notify():Object.notify()方法是喚醒調(diào)用了wait()的線程,只喚醒最多一個。如果有多個線程,不一定能喚醒我們所想要的線程。Object.notifyAll()喚醒所有等待的線程。notify方法一定是通知線程先獲取到了鎖才能進行通知。通知之后當前的通知線程需要釋放鎖,然后由等待線程來獲取。所以涉及到了一個申請鎖與釋放鎖的步驟。

wait()與notify()之間存在的三大問題:

從上面的解析可以看出,notify()是無指向性的喚醒,notifyAll()是無偏差喚醒。所以會產(chǎn)生下面三個問題

過早喚醒:假設當前有三組等待(w1,w2,w3)與通知(n1,n2,n3)線程同步在對象obj上,w1,w2的判斷喚醒條件相同,由線程n1更新條件并喚醒,w3的判斷喚醒條件不同,由n2,n3更新條件并喚醒,這時如果n1執(zhí)行了喚醒,那么不能執(zhí)行notify,因為需要叫醒兩條線程,只能用notifyAll(),可是用了之后w3的條件未能滿足就被叫醒,就需要一直占用資源的去等待執(zhí)行。

信號丟失:這個問題主要是程序員編程出現(xiàn)了問題,并不是內(nèi)部實現(xiàn)機制出現(xiàn)的問題。編程時如果在該使用notifyAll()的地方使用notify()那么只能喚醒一個線程,從而使其他應該喚醒的線程未能喚醒,這就是信號丟失。如果等待線程在執(zhí)行wait()方法前沒有先判斷保護條件是否成立,就會出現(xiàn)通知線程在該等待線程進入臨界區(qū)之前就已經(jīng)更新了相關(guān)共享變量,并且執(zhí)行了notify()方法,但是由于wait()還未能執(zhí)行,且沒有設置共享變量的判斷,所以會執(zhí)行wait()方法,導致線程一直處于等待狀態(tài),丟失了一個信號。

欺騙性喚醒:等待線程并不是一定有notify()/notifyAll()才能被喚醒,雖然出現(xiàn)的概率特別低,但是操作系統(tǒng)是允許這種情況發(fā)生的。

上下文切換問題:首先wait()至少會導致線程對相應對象內(nèi)部鎖的申請與釋放。notify()/notifyAll()時需要持有相應的對象內(nèi)部鎖并且也會釋放該鎖,會出現(xiàn)上下文切換問題其實就是從RUNNABLE狀態(tài)變?yōu)榉荝UNNABLE狀態(tài)會出現(xiàn)。

針對問題的解決方案:

信號丟失與欺騙性喚醒問題:都可以使用while循環(huán)來避免,也就是上面的模板中寫的那樣。

上下文切換問題:在保證程序正確性的情況下使用notify()代替notifyAll(),notify不會導致過早喚醒,所以減少了上下文的切換。并且使用了notify之后應該盡快釋放相應內(nèi)部鎖,從而讓wait()能夠更快的申請到鎖。

過早喚醒:使用java.util.concurrent.locks.Condition中的await與signal。

PS:由于Object中的wait與notify使用的是native方法,即C++編寫,這里不做源碼解析。

二、Condition中的await()與signal()

這個方法相應的改變了上面所說的無指向性的問題,每個Condition內(nèi)部都會維護一個隊列,從而讓我們對線程之間的操作更加靈活。下面通過分析源碼讓我們了解一下內(nèi)部機制。Condition是個接口,真正的實現(xiàn)是AbstractQueuedSynchronizer中的內(nèi)部類ConditionObject。

基本屬性:

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;
    /** First node of condition queue. */
    private transient Node firstWaiter;
    /** Last node of condition queue. */
    private transient Node lastWaiter;
}

從基本屬性中可看出維護的是雙端隊列。

await()方法解析:

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
  public final void await() throws InterruptedException {
   // 1. 判斷線程是否中斷
  if(Thread.interrupted()){            
    throw new InterruptedException();
  }
   // 2. 將線程封裝成一個 Node 放到 Condition Queue 里面
  Node node = addConditionWaiter();
   // 3. 釋放當前線程所獲取的所有的鎖 (PS: 調(diào)用 await 方法時, 當前線程是必須已經(jīng)獲取了獨占的鎖)       
  int savedState = fullyRelease(node);      
  int interruptMode = 0;
   // 4. 判斷當前線程是否在 Sync Queue 里面(這里 Node 從 Condtion Queue 里面轉(zhuǎn)移到 Sync Queue 里面有兩種可能    //(1) 其他線程調(diào)用 signal 進行轉(zhuǎn)移 (2) 當前線程被中斷而進行Node的轉(zhuǎn)移(就在checkInterruptWhileWaiting里面進行轉(zhuǎn)移))
  while(!isOnSyncQueue(node)){
     // 5. 當前線程沒在 Sync Queue 里面, 則進行 block         
    LockSupport.park(this);
     // 6. 判斷此次線程的喚醒是否因為線程被中斷, 若是被中斷, 則會在checkInterruptWhileWaiting的transferAfterCancelledWait 進行節(jié)點的轉(zhuǎn)移;     if((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0){  
     // 說明此是通過線程中斷的方式進行喚醒, 并且已經(jīng)進行了 node 的轉(zhuǎn)移, 轉(zhuǎn)移到 Sync Queue 里面
      break;                           
    }
  }
   // 7. 調(diào)用 acquireQueued在 Sync Queue 里面進行獨占鎖的獲取, 返回值表明在獲取的過程中有沒有被中斷過
  if(acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE){ 
    interruptMode = REINTERRUPT;
  }
   // 8. 通過 "node.nextWaiter != null" 判斷 線程的喚醒是中斷還是 signal?! ?//因為通過中斷喚醒的話, 此刻代表線程的 Node 在 Condition Queue 與 Sync Queue 里面都會存在
  if(node.nextWaiter != null){ 
     // 9. 進行 cancelled 節(jié)點的清除
    unlinkCancelledWaiters();                 
  }
   // 10. "interruptMode != 0" 代表通過中斷的方式喚醒線程
  if(interruptMode != 0){  
     // 11. 根據(jù) interruptMode 的類型決定是拋出異常, 還是自己再中斷一下                 
    reportInterruptAfterWait(interruptMode);        
  }
  }
}

上面源代碼可看出Condition內(nèi)部維護的隊列是一個等待隊列,當需要調(diào)用signal()方法時就會讓當前線程節(jié)點從Condition queue轉(zhuǎn)到Sync queue隊列中去競爭鎖從而喚醒。

signal()源碼解析:

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
  public final void signal() {
      if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
      Node first = firstWaiter;
      if (first != null)
        doSignal(first);
    }
  private void doSignal(Node first) {
      do {
        //傳入的鏈表下一個節(jié)點為空,則尾節(jié)點置空
        if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
          lastWaiter = null;
        //當前節(jié)點的下一個節(jié)點為空
        first.nextWaiter = null;
        //如果成功將node從condition queue轉(zhuǎn)換到sync queue,則退出循環(huán),節(jié)點為空了也退出循環(huán)。否則就接著在隊列中找尋節(jié)點進行喚醒
      } while (!transferForSignal(first) &&
           (first = firstWaiter) != null);
    }
}

signal()會使等待隊列中的一個任意線程被喚醒,signalAll()則是喚醒該隊列中的所有線程。這樣通過不同隊列維護不同線程,就可以達到指向性的功能??梢韵蛇^早喚醒帶來的資源損耗。注意的是在使用signal()方法前需要獲取鎖,即lock(),而后需要盡快unlock(),這樣可以避免上下文切換的損耗。

總結(jié):

面向?qū)ο蟮氖澜缰?,一個類往往需要借助其他的類來一起完成計算,同樣線程的世界也是,多個線程可以同時完成一個任務,通過喚醒與等待,能更好的操作線程,從而讓線程在需要使用資源的時候分配資源給它,而不使用資源的時候就可以將資源讓給其他線程操作。關(guān)于Condition中提到的Sync queue可參考Java并發(fā) 結(jié)合源碼分析AQS原理來看內(nèi)部維護的隊列是如何獲取鎖的。

以上就是本文的全部內(nèi)容,希望對大家的學習有所幫助,也希望大家多多支持腳本之家。

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