共享模型之管程

John Doe2025-07-212025-07-26

共享模型之管程

1. 共享带来的问题

小故事

老王（操作系统）有一个功能强大的算盘（CPU），现在想把它租出去，赚一点外快
小南、小女（线程）来使用这个算盘来进行一些计算，并按照时间给老王支付费用
但小南不能一天24小时使用算盘，他经常要小憩一会（sleep），又或是去吃饭上厕所（阻塞 io 操作），有时还需要一根烟，没烟时思路全无（wait）这些情况统称为（阻塞）
在这些时候，算盘没利用起来（不能收钱了），老王觉得有点不划算
另外，小女也想用用算盘，如果总是小南占着算盘，让小女觉得不公平
于是，老王灵机一动，想了个办法 [ 让他们每人用一会，轮流使用算盘 ]
这样，当小南阻塞的时候，算盘可以分给小女使用，不会浪费，反之亦然
最近执行的计算比较复杂，需要存储一些中间结果，而学生们的脑容量（工作内存）不够，所以老王申请了一个笔记本（主存），把一些中间结果先记在本上
计算流程是这样的
但是由于分时系统，有一天还是发生了事故
小南刚读取了初始值 0 做了个 +1 运算，还没来得及写回结果
老王说 [ 小南，你的时间到了，该别人了，记住结果走吧 ]，于是小南念叨着 [ 结果是1，结果是1…] 不甘心地到一边待着去了（上下文切换）
老王说 [ 小女，该你了 ]，小女看到了笔记本上还写着 0 做了一个 -1 运算，将结果 -1 写入笔记本
这时小女的时间也用完了，老王又叫醒了小南：[小南，把你上次的题目算完吧]，小南将他脑海中的结果 1 写入了笔记本
小南和小女都觉得自己没做错，但笔记本里的结果是 1 而不是 0

1. java 体现

两个线程对初始值为 0 的静态变量一个做自增，一个做自减，各做 5000 次，结果是 0 吗？

static int counter = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 5000; i++) {
            counter++;
        }
    }, "t1");
    Thread t2 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 5000; i++) {
            counter--;
        }
    }, "t2");
    t1.start();
    t2.start();
    t1.join();
    t2.join();
    log.debug("{}",counter);
}

2. 问题分析

以上的结果可能是正数、负数、零。为什么呢？因为 Java 中对静态变量的自增，自减并不是原子操作，要彻底理解，必须从字节码来进行分析

例如对于 i++ 而言（i 为静态变量），实际会产生如下的 JVM 字节码指令：

getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 	// 准备常量1
iadd 		// 自增
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i

而对应 i-- 也是类似：

getstatic i // 获取静态变量i的值
iconst_1 	// 准备常量1
isub 		// 自减
putstatic i // 将修改后的值存入静态变量i

而 Java 的内存模型如下，完成静态变量的自增，自减需要在主存和工作内存中进行数据交换：

如果是单线程以上 8 行代码是顺序执行（不会交错）没有问题：

但多线程下这 8 行代码可能交错运行：

出现负数的情况：

出现正数的情况：

3. 临界区 Critical Section

一个程序运行多个线程本身是没有问题的
问题出在多个线程访问共享资源
- 多个线程读共享资源其实也没有问题
- 在多个线程对共享资源读写操作时发生指令交错，就会出现问题
一段代码块内如果存在对共享资源的多线程读写操作，称这段代码块为临界区

例如，下面代码中的临界区

static int counter = 0;
static void increment() 
    // 临界区
{ 
    counter++;
}
static void decrement() 
    // 临界区
{ 
    counter--;
}

4. 竞态条件 Race Condition

多个线程在临界区内执行，由于代码的执行序列不同而导致结果无法预测，称之为发生了竞态条件

2. synchronized 关键字

为了避免临界区中的竞态条件发生，由多种手段可以达到

阻塞式解决方案：synchronized ，Lock
非阻塞式解决方案：原子变量

本次课使用阻塞式的解决方案：synchronized，来解决上述问题，即俗称的【对象锁】，它采用互斥的方式让同一时刻至多只有一个线程能持有【对象锁】，其它线程再想获取这个【对象锁】时就会阻塞住。这样就能保证拥有锁的线程可以安全的执行临界区内的代码，不用担心线程上下文切换

注意

虽然 java 中互斥和同步都可以采用 synchronized 关键字来完成，但它们还是有区别的：

互斥是保证临界区的竞态条件发生，同一时刻只能有一个线程执行临界区代码

同步是由于线程执行的先后、顺序不同、需要一个线程等待其它线程运行到某个点

1. synchronized 锁对象

语法

synchronized(对象) // 线程1， 线程2(blocked)
{
    临界区
}

解决

static int counter = 0;
static final Object lock = new Object();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 5000; i++) {
            synchronized (lock) {
                counter++;
            }
        }
    }, "t1");
    Thread t2 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 5000; i++) {
            synchronized (lock) {
                counter--;
            }
        }
    }, "t2");
    t1.start();
    t2.start();
    t1.join();
    t2.join();
    log.debug("{}",counter);
}

原理：

你可以做这样的类比：

synchronized(对象) 中的对象，可以想象为一个房间（room），有唯一入口（门）房间只能一次进入一人进行计算，线程 t1，t2 想象成两个人
当线程 t1 执行到 synchronized(room) 时就好比 t1 进入了这个房间，并锁住了门拿走了钥匙，在门内执行 count++ 代码
这时候如果 t2 也运行到了 synchronized(room) 时，它发现门被锁住了，只能在门外等待，发生了上下文切换，阻塞住了
这中间即使 t1 的 cpu 时间片不幸用完，被踢出了门外（不要错误理解为锁住了对象就能一直执行下去哦），这时门还是锁住的，t1 仍拿着钥匙，t2 线程还在阻塞状态进不来，只有下次轮到 t1自己再次获得时间片时才能开门进入
当 t1 执行完 synchronized{} 块内的代码，这时候才会从 obj 房间出来并解开门上的锁，唤醒 t2 线程把钥匙给他。t2 线程这时才可以进入 obj 房间，锁住了门拿上钥匙，执行它的 count-- 代码

用图来表示

==思考==

synchronized 实际是用对象锁保证了**==临界区内代码==**的原子性，临界区内的代码对外是不可分割的，不会被线程切换所打断。

为了加深理解，请思考下面的问题

如果把 synchronized(obj) 放在 for 循环的外面，如何理解？ – 原子性
如果 t1 synchronized(obj1) 而 t2 synchronized(obj2) 会怎样运作？ – 锁对象
如果 t1 synchronized(obj) 而 t2 没有加会怎么样？如何理解？ – 锁对象

面向对象改进

class Room {
    int value = 0;
    public void increment() {
        synchronized (this) {
            value++;
        }
    }
    public void decrement() {
        synchronized (this) {
            value--;
        }
    }
    public int get() {
        synchronized (this) {
            return value;
        }
    }
}
@Slf4j
public class Test1 {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Room room = new Room();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 5000; j++) {
                room.increment();
            }
        }, "t1");
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 5000; j++) {
                room.decrement();
            }
        }, "t2");
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        log.debug("count: {}" , room.get());
    }
}

2. synchronized 锁方法

1. 成员方法

class Test{
    public synchronized void test() {

    }
}
/// 等价于
class Test{
    public void test() {
        synchronized(this) {

        }
    }
}

2. 类方法

class Test{
    public synchronized static void test() {
    }
}
// 等价于
class Test{
    public static void test() {
        synchronized(Test.class) {

        }
    }
}

3. 不加 synchronized 的方法

不加 synchronzied 的方法就好比不遵守规则的人，不去老实排队（好比翻窗户进去的）

3. 线程八锁

所谓的 “线程八锁”，其实就是考察 synchronized 锁住的是哪个对象

情况1：12 或 21

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
    public synchronized void a() {
        log.debug("1");
    }
    public synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }
}
public static void main(String[] args) {
    Number n1 = new Number();
    new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
    new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
}

情况2：1s后12，或 2 1s后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
    public synchronized void a() {
        sleep(1);
        log.debug("1");
    }
    public synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }
}
public static void main(String[] args) {
    Number n1 = new Number();
    new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
    new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
}

情况3：3 1s 12 或 23 1s 1 或 32 1s 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
    public synchronized void a() {
        sleep(1);
        log.debug("1");
    }
    public synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }
    public void c() {
        log.debug("3");
    }
}
public static void main(String[] args) {
    Number n1 = new Number();
    new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
    new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
    new Thread(()->{ n1.c(); }).start();
}

情况4：2 1s 后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
    public synchronized void a() {
        sleep(1);
        log.debug("1");
    }
    public synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }
}
public static void main(String[] args) {
    Number n1 = new Number();
    Number n2 = new Number();
    new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
    new Thread(()->{ n2.b(); }).start();
}

情况5：2 1s 后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
    public static synchronized void a() {
        sleep(1);
        log.debug("1");
    }
    public synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }
}
public static void main(String[] args) {
    Number n1 = new Number();
    new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
    new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
}

情况6：1s 后12，或 2 1s后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
    public static synchronized void a() {
        sleep(1);
        log.debug("1");
    }
    public static synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }
}
public static void main(String[] args) {
    Number n1 = new Number();
    new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
    new Thread(()->{ n1.b(); }).start();
}

情况7：2 1s 后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
    public static synchronized void a() {
        sleep(1);
        log.debug("1");
    }
    public synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }
}
public static void main(String[] args) {
    Number n1 = new Number();
    Number n2 = new Number();
    new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
    new Thread(()->{ n2.b(); }).start();
}

情况8：1s 后12，或 2 1s后 1

@Slf4j(topic = "c.Number")
class Number{
    public static synchronized void a() {
        sleep(1);
        log.debug("1");
    }
    public static synchronized void b() {
        log.debug("2");
    }
}
public static void main(String[] args) {
    Number n1 = new Number();
    Number n2 = new Number();
    new Thread(()->{ n1.a(); }).start();
    new Thread(()->{ n2.b(); }).start();
}

3. 变量的线程安全分析

1. 成员变量和静态变量线程安全分析

如果它们没有共享，则线程安全
如果它们被共享了，根据它们的状态是否能够改变，又分两种情况
- 如果只有读操作，则线程安全
- 如果有读写操作，则这段代码是临界区，需要考虑线程安全

2. 局部变量线程安全分析

局部变量是线程安全的
但局部变量引用的对象则未必
- 如果该对象没有逃离方法的作用访问，它是线程安全的
- 如果该对象逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全

1. 线程安全情况

每个线程调用 test1() 方法时局部变量 i，会在每个线程的栈帧内存中被创建多份，因此不存在共享

public static void test1() {
    int i = 10;
    i++;
}

# 字节码指令
public static void test1();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=0
0: bipush 10
2: istore_0
3: iinc 0, 1
6: return
LineNumberTable:
line 10: 0
line 11: 3
line 12: 6
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
3 4 0 i I

如图：

2. 线程不安全情况

如果该对象逃离方法的作用范围，需要考虑线程安全

class ThreadUnsafe {
    ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
    public void method1(int loopNumber) {
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            // { 临界区, 会产生竞态条件
            method2();
            method3();
            // } 临界区
        }
    }
    private void method2() {
        list.add("1");
    }
    private void method3() {
        list.remove(0);
    }
}

执行

static final int THREAD_NUMBER = 2;
static final int LOOP_NUMBER = 200;
public static void main(String[] args) {
    ThreadUnsafe test = new ThreadUnsafe();
    for (int i = 0; i < THREAD_NUMBER; i++) {
        new Thread(() -> {
            test.method1(LOOP_NUMBER);
        }, "Thread" + i).start();
    }
}

其中一种情况是，如果线程2 还未 add，线程1 remove 就会报错

分析：

无论哪个线程中的 method2 引用的都是同一个对象中的 list 成员变量
method3 与 method2 分析相同

将 list 修改为局部变量

class ThreadSafe {
    public final void method1(int loopNumber) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            method2(list);
            method3(list);
        }
    }
    private void method2(ArrayList<String> list) {
        list.add("1");
    }
    private void method3(ArrayList<String> list) {
        list.remove(0);
    }
}

分析：

list 是局部变量，每个线程调用时会创建其不同实例，没有共享
而 method2 的参数是从 method1 中传递过来的，与 method1 中引用同一个对象
method3 的参数分析与 method2 相同

方法访问修饰符带来的思考，如果把 method2 和 method3 的方法修改为 public 会不会代理线程安全问题？

情况1：有其它线程调用 method2 和 method3
情况2：在情况1 的基础上，为 ThreadSafe 类添加子类，子类覆盖 method2 或 method3 方法

class ThreadSafe {
    public final void method1(int loopNumber) {
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            method2(list);
            method3(list);
        }
    }
    private void method2(ArrayList<String> list) {
        list.add("1");
    }
    private void method3(ArrayList<String> list) {
        list.remove(0);
    }
}
class ThreadSafeSubClass extends ThreadSafe{
    @Override
    public void method3(ArrayList<String> list) {
        new Thread(() -> {
            list.remove(0);
        }).start();
    }
}

从这个例子可以看出 private 或 final 提供【安全】的意义所在，请体会开闭原则中的【闭】

3. 常见线程安全类

String
Integer
StringBuffer
Random
Vector
Hashtable
java.util.concurrent 包下的类

这里说它们是线程安全的是指，多个线程调用它们同一个实例的某个方法时，是线程安全的。也可以理解为

Hashtable table = new Hashtable();
new Thread(()->{
    table.put("key", "value1");
}).start();
new Thread(()->{
    table.put("key", "value2");
}).start();

它们的每个方法是原子的
但注意它们多个方法的组合不是原子的，见后面分析

1. 线程安全类方法的组合

分析下面代码是否线程安全？

Hashtable table = new Hashtable();
// 线程1，线程2
if( table.get("key") == null) {
    table.put("key", value);
}

2. 不可变类线程安全性

String、Integer 等都是不可变类，因为其内部的状态不可以改变，因此它们的方法都是线程安全的

有同学或许有疑问，String 有 replace，substring 等方法【可以】改变值啊，那么这些方法又是如何保证线程安全的呢？

public class Immutable{
    private int value = 0;
    public Immutable(int value){
        this.value = value;
    }
    public int getValue(){
        return this.value;
    }

    public Immutable add(int v){
        return new Immutable(this.value + v);
    } 
}

4. 实例分析

例1：

public class MyServlet extends HttpServlet {
    // 是否安全？
    Map<String,Object> map = new HashMap<>();
    // 是否安全？
    String S1 = "...";
    // 是否安全？
    final String S2 = "...";
    // 是否安全？
    Date D1 = new Date();
    // 是否安全？
    final Date D2 = new Date();

    public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
        // 使用上述变量
    }
}

例2：

public class MyServlet extends HttpServlet {
    // 是否安全？
    private UserService userService = new UserServiceImpl();

    public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
        userService.update(...);
    }
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
    // 记录调用次数
    private int count = 0;

    public void update() {
        // ...
        count++;
    }
}

例3：

@Aspect
@Component
public class MyAspect {
    // 是否安全？
    private long start = 0L;

    @Before("execution(* *(..))")
    public void before() {
        start = System.nanoTime();
    }

    @After("execution(* *(..))")
    public void after() {
        long end = System.nanoTime();
        System.out.println("cost time:" + (end-start));
    }
}

例4：

public class MyServlet extends HttpServlet {
    // 是否安全
    private UserService userService = new UserServiceImpl();

    public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
        userService.update(...);
    }
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
    // 是否安全
    private UserDao userDao = new UserDaoImpl();

    public void update() {
        userDao.update();
    }
}
public class UserDaoImpl implements UserDao { 
    public void update() {
        String sql = "update user set password = ? where username = ?";
        // 是否安全
        try (Connection conn = DriverManager.getConnection("","","")){
            // ...
        } catch (Exception e) {
            // ...
        }
    }
}

例5：

public class MyServlet extends HttpServlet {
    // 是否安全
    private UserService userService = new UserServiceImpl();

    public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
        userService.update(...);
    }
}
public class UserServiceImpl implements UserService {
    // 是否安全
    private UserDao userDao = new UserDaoImpl();

    public void update() {
        userDao.update();
    }
}
public class UserDaoImpl implements UserDao {
    // 是否安全
    private Connection conn = null;
    public void update() throws SQLException {
        String sql = "update user set password = ? where username = ?";
        conn = DriverManager.getConnection("","","");
        // ...
        conn.close();
    }
}

例6：

public class MyServlet extends HttpServlet {
    // 是否安全
    private UserService userService = new UserServiceImpl();

    public void doGet(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) {
        userService.update(...);
    }
}
public class UserServiceImpl implements UserService { 
    public void update() {
        UserDao userDao = new UserDaoImpl();
        userDao.update();
    }
}
public class UserDaoImpl implements UserDao {
    // 是否安全
    private Connection = null;
    public void update() throws SQLException {
        String sql = "update user set password = ? where username = ?";
        conn = DriverManager.getConnection("","","");
        // ...
        conn.close();
    }
}

例7：

public abstract class Test {

    public void bar() {
        // 是否安全
        SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
        foo(sdf);
    }

    public abstract foo(SimpleDateFormat sdf);


    public static void main(String[] args) {
        new Test().bar();
    }
}

其中 foo 的行为是不确定的，可能导致不安全的发生，被称之为外星方法

public void foo(SimpleDateFormat sdf) {
    String dateStr = "1999-10-11 00:00:00";
    for (int i = 0; i < 20; i++) {
        new Thread(() -> {
            try {
                sdf.parse(dateStr);
            } catch (ParseException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }
}

请比较 JDK 中 String 类的实现

例8：

private static Integer i = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    List<Thread> list = new ArrayList<>();
    for (int j = 0; j < 2; j++) {
        Thread thread = new Thread(() -> {
            for (int k = 0; k < 5000; k++) {
                synchronized (i) {
                    i++;
                }
            }
        }, "" + j);
        list.add(thread);
    }
    list.stream().forEach(t -> t.start());
    list.stream().forEach(t -> {
        try {
            t.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    });
    log.debug("{}", i);
}

5. 习题分析

1. 卖票练习

public class ExerciseSell {
    public static void main(String[] args) {
        TicketWindow ticketWindow = new TicketWindow(2000);
        List<Thread> list = new ArrayList<>();
        // 用来存储买出去多少张票
        List<Integer> sellCount = new Vector<>();
        for (int i = 0; i < 2000; i++) {
            Thread t = new Thread(() -> {
                // 分析这里的竞态条件
                int count = ticketWindow.sell(randomAmount());
                sellCount.add(count);
            });
            list.add(t);
            t.start();
        }
        list.forEach((t) -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        // 买出去的票求和
        log.debug("selled count:{}",sellCount.stream().mapToInt(c -> c).sum());
        // 剩余票数
        log.debug("remainder count:{}", ticketWindow.getCount());
    }
    // Random 为线程安全
    static Random random = new Random();
    // 随机 1~5
    public static int randomAmount() {
        return random.nextInt(5) + 1;
    }
}
class TicketWindow {
    private int count;
    public TicketWindow(int count) {
        this.count = count;
    }
    public int getCount() {
        return count;
    }
    public int sell(int amount) {
        if (this.count >= amount) {
            this.count -= amount;
            return amount;
        } else {
            return 0;
        }
    }
}

另外，用下面的代码行不行，为什么？ArrayList 非线程安全

1	List<Integer> sellCount = new ArrayList<>();

2. 转账练习

public class ExerciseTransfer {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Account a = new Account(1000);
        Account b = new Account(1000);
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                a.transfer(b, randomAmount());
            }
        }, "t1");
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                b.transfer(a, randomAmount());
            }
        }, "t2");
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        // 查看转账2000次后的总金额
        log.debug("total:{}",(a.getMoney() + b.getMoney()));
    }
    // Random 为线程安全
    static Random random = new Random();
    // 随机 1~100
    public static int randomAmount() {
        return random.nextInt(100) +1;
    }
}
class Account {
    private int money;
    public Account(int money) {
        this.money = money;
    }
    public int getMoney() {
        return money;
    }
    public void setMoney(int money) {
        this.money = money;
    }
    public void transfer(Account target, int amount) {
        synchronized(Account.class) {
            if (this.money >= amount) {
                this.setMoney(this.getMoney() - amount);
                target.setMoney(target.getMoney() + amount);
            }
        }
    }
}

这样改正行不行，为什么？不能，锁的是 this，对 target 没作用

public synchronized void transfer(Account target, int amount) {
    if (this.money > amount) {
        this.setMoney(this.getMoney() - amount);
        target.setMoney(target.getMoney() + amount);
    }
}

4. Monitor 概念

1. 对象内存布局和头💦

1. 对象内存布局

在HotSpot虚拟机里，对象在堆内存中的存储布局可以划分为三个部分:对象头（Header)、实例数据（ Instance Data）和对齐填充(Padding) 。

对象内部结构分为：对象头、实例数据、对齐填充（保证8个字节的倍数）。对象头分为对象标记（markOop）和类元信息（klassOop），类元信息存储的是指向该对象类元数据（klass）的首地址。

2. 对象头

1. Mark Work

HotSpot虚拟机对象头Mark Work

存储内容	标志位	状态
对象哈希码、对象分代年龄	01	未锁定
指向锁记录的指针	00	轻量级锁定
指向重量级锁的指针	10	膨胀（重量级锁定
空，不需要记录信息	11	GC标记
偏向线程ID、偏向时间戳、对象分代年龄	01	可偏向

默认存储对象的HashCode、分代年龄和锁标志位等信息。这些信息都是与对象自身定义无关的数据，所以MarkWord被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存存储尽量多的数据。它会根据对象的状态复用自己的存储空间，也就是说在运行期间MarkWord里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。

2. 类元信息

对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。

3. 实例数据和对齐填充

实例数据：存放类的属性(Field)数据信息，包括父类的属性信息，如果是数组的实例部分还包括数组的长度，这部分内存按4字节对齐。

对齐填充：虚拟机要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。填充数据不是必须存在的，仅仅是为了字节对齐这部分内存按8字节补充对齐。

http://openjdk.java.net/groups/hotspot/docs/HotSpotGlossary.html

http://hg.openjdk.java.net/jdk/jdk11/file/1ddf9a99e4ad/src/hotspot/share/oops

4. 源码分析

//  32 bits:
//  --------
//             hash:25 ------------>| age:4    biased_lock:1 lock:2 (normal object)
//             JavaThread*:23 epoch:2 age:4    biased_lock:1 lock:2 (biased object)
//             size:32 ------------------------------------------>| (CMS free block)
//             PromotedObject*:29 ---------->| promo_bits:3 ----->| (CMS promoted object)

//  64 bits:
//  --------
//  unused:25 hash:31 -->| unused:1   age:4    biased_lock:1 lock:2 (normal object)
//  JavaThread*:54 epoch:2 unused:1   age:4    biased_lock:1 lock:2 (biased object)
//  PromotedObject*:61 --------------------->| promo_bits:3 ----->| (CMS promoted object)
//  size:64 ----------------------------------------------------->| (CMS free block)

hash：保存对象的哈希码
age：保存对象的分代年龄
biased_lock：偏向锁标识位
lock：锁状态标识位
JavaThread*：保存持有偏向锁的线程ID
epoch：保存偏向时间戳

markword(64位)分布图，对象布局、GC回收和后面的锁升级就是对象标记MarkWord里面标志位的变化

5. 对象头分析

http://openjdk.java.net/projects/code-tools/jol/

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-core</artifactId>
    <version>0.16</version>
</dependency>

public class JOLDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Object o = new Object();//16 bytes

        //System.out.println(ClassLayout.parseInstance(o).toPrintable());

        Customer c1 = new Customer();//16 bytes
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(c1).toPrintable());
    }
}

//只有一个对象头的实例对象，16字节（忽略压缩指针的影响）+4字节+1字节=21字节 -->对其填充，24字节
class Customer {
    //1 第一种情况，只有对象头，没有其它任何实例数据

    //2 第二种情况，int + boolean，默认满足对其填充，24 bytes
//    int id;
//    boolean flag = false;
//    boolean flag2 = false;
}

查看默认运行参数：

1	-XX:+PrintCommandLineFlags

默认情况下虚拟机已经开启压缩指针配置：

1	-XX:+UseCompressedClassPointers

如果关闭压缩指针，那么指向类元信息的指针就会被压缩为 4byte，以此来节约内存开销。

2. Monitor 原理

Monitor被翻译为监视器或者说管程

每个java对象都可以关联一个Monitor，如果使用synchronized给对象上锁（重量级），该对象头的Mark Word中就被设置为指向Monitor对象的指针

Monitor结构如下

刚开始时Monitor中的Owner为null
当Thread-2 执行synchronized(obj){}代码时就会将Monitor的所有者Owner 设置为 Thread-2，上锁成功，Monitor中同一时刻只能有一个Owner
当Thread-2 占据锁时，如果线程Thread-3，Thread-4也来执行synchronized(obj){}代码，就会进入EntryList中变成BLOCKED状态
Thread-2 执行完同步代码块的内容，然后唤醒 EntryList 中等待的线程来竞争锁，竞争时是非公平的
图中 WaitSet 中的 Thread-0，Thread-1 是之前获得过锁，但条件不满足进入 WAITING 状态的线程，后面讲wait-notify 时会分析

注意：

synchronized 必须是进入同一个对象的 monitor 才有上述的效果

不加 synchronized 的对象不会关联监视器，不遵从以上规则

java的线程是映射到操作系统原生线程之上的，如果要阻塞或唤醒一个线程就需要操作系统介入，需要在户态与核心态之间切换，这种切换会消耗大量的系统资源，因为用户态与内核态都有各自专用的内存空间，专用的寄存器等，用户态切换至内核态需要传递给许多变量、参数给内核，内核也需要保护好用户态在切换时的一些寄存器值、变量等，以便内核态调用结束后切换回用户态继续工作。

在Java早期版本中，synchronized属于重量级锁，效率低下，因为监视器锁（monitor）是依赖于底层的操作系统的Mutex Lock来实现的，挂起线程和恢复线程都需要转入内核态去完成，阻塞或唤醒一个Java线程需要操作系统切换CPU状态来完成，这种状态切换需要耗费处理器时间，如果同步代码块中内容过于简单，这种切换的时间可能比用户代码执行的时间还长”，时间成本相对较高，这也是为什么早期的synchronized效率低的原因 Java 6之后，为了减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗，引入了轻量级锁和偏向锁

3. synchronized原理

static final Object lock=new Object();
static int counter = 0;
public static void main(String[] args) {
    synchronized (lock) {
        counter++;
    }
}

# 字节码指令分析
0 getstatic #2 <com/concurrent/test/Test17.lock>
# 取得lock的引用（synchronized开始了）
3 dup    
# 复制操作数栈栈顶的值放入栈顶，即复制了一份lock的引用
4 astore_1
# 操作数栈栈顶的值弹出，即将lock的引用存到局部变量表中
5 monitorenter
# 将lock对象的Mark Word置为指向Monitor指针
6 getstatic #3 <com/concurrent/test/Test17.counter>
9 iconst_1
10 iadd
11 putstatic #3 <com/concurrent/test/Test17.counter>
14 aload_1
# 从局部变量表中取得lock的引用，放入操作数栈栈顶
15 monitorexit
# 将lock对象的Mark Word重置，唤醒EntryList
16 goto 24 (+8)
# 下面是异常处理指令，可以看到，如果出现异常，也能自动地释放锁
19 astore_2
20 aload_1
21 monitorexit
22 aload_2
23 athrow
24 return

注意：方法级别的 synchronized 不会在字节码指令中有所体现

小故事

故事角色

老王 - JVM
小南 - 线程
小女 - 线程
房间 - 对象
房间门上 - 防盗锁 - Monitor
房间门上 - 小南书包 - 轻量级锁
房间门上 - 刻上小南大名 - 偏向锁
批量重刻名 - 一个类的偏向锁撤销到达 20 阈值
不能刻名字 - 批量撤销该类对象的偏向锁，设置该类不可偏向

小南要使用房间保证计算不被其它人干扰（原子性），最初，他用的是防盗锁，当上下文切换时，锁住门。这样，即使他离开了，别人也进不了门，他的工作就是安全的。

但是，很多情况下没人跟他来竞争房间的使用权。小女是要用房间，但使用的时间上是错开的，小南白天用，小女晚上用。每次上锁太麻烦了，有没有更简单的办法呢？

小南和小女商量了一下，约定不锁门了，而是谁用房间，谁把自己的书包挂在门口，但他们的书包样式都一样，因此每次进门前得翻翻书包，看课本是谁的，如果是自己的，那么就可以进门，这样省的上锁解锁了。万一书包不是自己的，那么就在门外等，并通知对方下次用锁门的方式。

后来，小女回老家了，很长一段时间都不会用这个房间。小南每次还是挂书包，翻书包，虽然比锁门省事了，但仍然觉得麻烦。

于是，小南干脆在门上刻上了自己的名字：【小南专属房间，其它人勿用】，下次来用房间时，只要名字还在，那么说明没人打扰，还是可以安全地使用房间。如果这期间有其它人要用这个房间，那么由使用者将小南刻的名字擦掉，升级为挂书包的方式。

同学们都放假回老家了，小南就膨胀了，在 20 个房间刻上了自己的名字，想进哪个进哪个。后来他自己放假回老家了，这时小女回来了（她也要用这些房间），结果就是得一个个地擦掉小南刻的名字，升级为挂书包的方式。老王觉得这成本有点高，提出了一种批量重刻名的方法，他让小女不用挂书包了，可以直接在门上刻上自己的名字

后来，刻名的现象越来越频繁，老王受不了了：算了，这些房间都不能刻名了，只能挂书包

4. synchronized进阶

markword(64位)分布图，对象布局、GC回收和后面的锁升级就是对象标记MarkWord里面标志位的变化：

1. 偏向锁

轻量级锁在没有竞争时（就只有自己线程），每次重入仍然需要执行 CAS 操作。

Java 6 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，这个线程就归该线程所有

static final Object obj = new Object();
public static void method1() {
    synchronized( obj ) {
        // 同步块 A
        method2();
    }
}
public static void method2() {
    synchronized( obj ) {
        // 同步块 B
    }
}

理论落地：在实际应用运行过程中发现，“锁总是同一个线程持有，很少发生竞争”，也就是说锁总是被第一个占用他的线程拥有，这个线程就是锁的偏向线程。

那么只需要在锁第一次被拥有的时候，记录下偏向线程ID。这样偏向线程就一直持有着锁(后续这个线程进入和退出这段加了同步锁的代码块时，不需要再次加锁和释放锁。而是直接比较对象头里面是否存储了指向当前线程的偏向锁)。如果相等表示偏向锁是偏向于当前线程的，就不需要再尝试获得锁了，直到竞争发生才释放锁。以后每次同步，检查锁的偏向线程ID与当前线程ID是否一致，如果一致直接进入同步。无需每次加锁解锁都去CAS更新对象头。如果自始至终使用锁的线程只有一个，很明显偏向锁几乎没有额外开销，性能极高。

假如不一致意味着发生了竞争，锁已经不是总是偏向于同一个线程了，这时候可能需要升级变为轻量级锁，才能保证线程间公平竞争锁。偏向锁只有遇到其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁，线程是不会主动释放偏向锁的。

技术实现：一个synchronized方法被一个线程抢到了锁时，那这个方法所在的对象就会在其所在的Mark Word中将偏向锁修改状态位，同时还会有占用前54位来存储线程指针作为标识。若该线程再次访问同一个synchronized方法时，该线程只需去对象头的Mark Word 中去判断一下是否有偏向锁指向本身的ID，无需再进入 Monitor 去竞争对象了。

1、偏向状态

一个对象的创建过程：

如果开启了偏向锁（默认是开启的），那么对象刚创建之后，Mark Word 最后三位的值101，并且这是它的Thread，epoch，age都是 0
偏向锁默认是延迟的，不会在程序启动的时候立刻生效，如果想避免延迟，可以添加虚拟机参数来禁用延迟：-XX:BiasedLockingStartupDelay=0来禁用延迟
如果没有开启偏向锁，那么对象创建后最后三位的值为001，这时候它的hashcode，age都为0，hashcode是第一次用到hashcode时才赋值

加上虚拟机参数 -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 进行测试

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Dog d = list.get(i);
    log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintable());
    synchronized (d) {
        log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintable());
    }
    log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintable());
}

三次输出的状态码都为101

测试禁用

如果没有开启偏向锁，那么对象创建后最后三位的值为001，这时候它的 hashcode，age都为0，hashcode是第一次用到hashcode时才赋值的。在上面测试代码运行时在添加 VM 参数 -XX:-UseBiasedLocking 禁用偏向锁（禁用偏向锁则优先使用轻量级锁），退出synchronized状态变回001

最开始状态为01，然后加轻量级锁变成00，最后恢复成01

2、撤销

调用对象的hashcode方法

当调用对象的 hashcode 方法的时候就会撤销这个对象的偏向锁，因为使用偏向锁时没有位置存hashcode的值了

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Test1 t = new Test1();
    t.hashCode(); // 会禁用这个对象的偏向锁
    test.parseObjectHeader(getObjectHeader(t));

    synchronized (t){
        test.parseObjectHeader(getObjectHeader(t));
    }
    test.parseObjectHeader(getObjectHeader(t));
}

其它线程使用对象

当有其他线程使用偏向锁对象时，会将偏向锁升级为轻量级锁

// -XX:-UseCompressedOops -XX:-UseCompressedClassPointers -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 -XX:+PrintFlagsFinal
//-XX:-UseBiasedLocking tid=0x000000001f173000  -XX:BiasedLockingStartupDelay=0 -XX:+TraceBiasedLocking
private static void test2() throws InterruptedException {

    Dog d = new Dog();
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        synchronized (d) {
            log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintable());
        }
        synchronized (TestBiased.class) {
            TestBiased.class.notify();
        }
    }, "t1");
    t1.start();


    Thread t2 = new Thread(() -> {
        synchronized (TestBiased.class) {
            try {
                TestBiased.class.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintable());
        synchronized (d) {
            log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintable());
        }
        log.debug(ClassLayout.parseInstance(d).toPrintable());
    }, "t2");
    t2.start();
}

调用 wait/notify

会使对象的锁变成重量级锁，因为wait/notify方法之后重量级锁才支持

3、批量重偏向

如果对象虽然被多个线程访问，但没有竞争，这是偏向了线程 T1 的对象仍有机会重新偏向 T2，重偏向会重置对象的 ThreadID

当撤销偏向锁阈值超过20次后，jvm 会这样觉得，我是不是偏向错了呢，于是会在给这些对象加锁时重新偏向至加锁线程

private static void test3() throws InterruptedException {

    Vector<Dog> list = new Vector<>();
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 30; i++) {
            Dog d = new Dog();
            list.add(d);
            synchronized (d) {
                log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintable());
            }
        }
        synchronized (list) {
            list.notify();
        }
    }, "t1");
    t1.start();

    Thread t2 = new Thread(() -> {
        synchronized (list) {
            try {
                list.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        log.debug("===============> ");
        for (int i = 0; i < 30; i++) {
            Dog d = list.get(i);
            log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintable());
            synchronized (d) {
                log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintable());
            }
            log.debug(i + "\t" + ClassLayout.parseInstance(d).toPrintable());
        }
    }, "t2");
    t2.start();
}

2. 轻量级锁

轻量级锁的使用场景是：如果一个对象虽然有多个线程要对它进行加锁，但是加锁的时间是错开的（也就是没有人可以竞争的），那么可以使用轻量级锁来进行优化。

轻量级锁对使用者是透明的，即语法仍然是synchronized

假设有两个方法同步块，利用同一个对象加锁

static final Object obj = new Object();
public static void method1() {
    synchronized( obj ) {
        // 同步块 A
        method2();
    }
}
public static void method2() {
    synchronized( obj ) {
        // 同步块 B
    }
}

每次指向到 synchronized 代码块时，都会创建锁记录（Lock Record）对象，每个线程都会包括一个锁记录的结构，锁记录内部可以储存对象的 Mark Word 和对象引用 reference

让锁记录中的 Object reference 指向对象，并且尝试用 cas(compare and sweep) 替换 Object 对象的 Mark Word ，将 Mark Word 的值存入锁记录中

如果cas替换成功，那么对象的对象头储存的就是 锁记录的地址和状态 01，如下所示

如果cas失败，有两种情况
- 如果是其它线程已经持有了该Object的轻量级锁，那么表示有竞争，将进入锁膨胀阶段
- 如果是自己的线程已经执行了synchronized进行加锁，那么再添加一条 Lock Record 作为重入的计数

当线程退出synchronized代码块的时候，**如果获取的是取值为 null 的锁记录 **，表示有重入，这时重置锁记录，表示重入计数减一

当线程退出synchronized代码块的时候，如果获取的锁记录取值不为 null，那么使用cas将Mark Word的值恢复给对象
- 成功则解锁成功
- 失败，则说明轻量级锁进行了锁膨胀或已经升级为重量级锁，进入重量级锁解锁流程

3. 锁膨胀

如果在尝试加轻量级锁的过程中，cas 操作无法成功，这时有一种情况就是其它线程已经为这个对象加上了轻量级锁，这是就要进行锁膨胀，将轻量级锁变成重量级锁。

当 Thread-1 进行轻量级加锁时，Thread-0 已经对该对象加了轻量级锁

这时 Thread-1 加轻量级锁失败，进入锁膨胀流程
- 即为对象申请Monitor锁，让Object指向重量级锁地址
- 然后自己进入Monitor 的EntryList 变成BLOCKED状态

当Thread-0 退出synchronized同步块时，使用cas将Mark Word的值恢复给对象头，失败，那么会进入重量级锁的解锁过程，即按照Monitor的地址找到Monitor对象，将Owner设置为null，唤醒EntryList 中的Thread-1线程

4. 自旋优化

重量级锁竞争的时候，还可以使用自旋来优化，如果当前线程自旋成功（即这时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，自旋了一定次数还是没有等到持锁的线程释放锁

在 Java 6 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。
Java 7 之后不能控制是否开启自旋功能

5. 锁消除

@Fork(1)
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@Warmup(iterations=3)
@Measurement(iterations=5)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
public class MyBenchmark {
    static int x = 0;
    @Benchmark
    public void a() throws Exception {
        x++;
    }
    @Benchmark
    // JIT 即时编译器
    public void b() throws Exception {
        Object o = new Object();
        synchronized (o) {
            x++;
        }
    }
}

6. 锁粗化

/**
 * 锁粗化
 * 假如方法中首尾相接，前后相邻的都是同一个锁对象，那JIT编译器就会把这几个synchronized块合并成一个大块，
 * 加粗加大范围，一次申请锁使用即可，避免次次的申请和释放锁，提升了性能
 */
public class LockBigDemo {
    static Object objectLock = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            synchronized (objectLock) {
                System.out.println("111111");
            }
            synchronized (objectLock) {
                System.out.println("222222");
            }
            synchronized (objectLock) {
                System.out.println("333333");
            }
            synchronized (objectLock) {
                System.out.println("444444");
            }

            synchronized (objectLock) {
                System.out.println("111111");
                System.out.println("222222");
                System.out.println("333333");
                System.out.println("444444");
            }

        }, "t1").start();
    }
}

5. wait / notify

小故事 - 为什么需要 wait

由于条件不满足，小南不能继续进行计算
但小南如果一直占用着锁，其它人就得一直阻塞，效率太低

于是老王单开了一间休息室（调用 wait 方法），让小南到休息室（WaitSet）等着去了，但这时锁释放开，其它人可以由老王随机安排进屋
直到小M将烟送来，大叫一声 [ 你的烟到了 ] （调用 notify 方法）

小南于是可以离开休息室，重新进入竞争锁的队列

1. 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

@Slf4j(topic = "c.TestWaitNotify")
public class TestWaitNotify {
    final static Object obj = new Object();

    public static void main(String[] args) {

        new Thread(() -> {
            synchronized (obj) {
                log.debug("执行....");
                try {
                    obj.wait(); // 让线程在obj上一直等待下去
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                log.debug("其它代码....");
            }
        },"t1").start();

        new Thread(() -> {
            synchronized (obj) {
                log.debug("执行....");
                try {
                    obj.wait(); // 让线程在obj上一直等待下去
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                log.debug("其它代码....");
            }
        },"t2").start();

        // 主线程两秒后执行
        sleep(0.5);
        log.debug("唤醒 obj 上其它线程");
        synchronized (obj) {
            obj.notify(); // 唤醒obj上一个线程
//            obj.notifyAll(); // 唤醒obj上所有等待线程
        }
    }
}

# 结果
19:58:16.638 c.TestWaitNotify [t1] - 执行....
19:58:16.644 c.TestWaitNotify [t2] - 执行....
19:58:17.146 c.TestWaitNotify [main] - 唤醒 obj 上其它线程
19:58:17.146 c.TestWaitNotify [t1] - 其它代码....

wait() 方法会释放对象的锁，进入 WaitSet 等待区，从而让其他线程就机会获取对象的锁。无限制等待，直到 notify 为止

wait(long n) 有时限的等待, 到 n 毫秒后结束等待，或是被 notify

2. wait notify 的正确姿势

sleep(long n) 和 wait(long n) 的区别

sleep 是 Thread 方法，而 wait 是 Object 的方法
sleep 不需要强制和 synchronized 配合使用，但 wait 需要和 synchronized 一起用
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
它们状态 TIMED_WAITING

@Slf4j(topic = "c.Test19")
public class Test19 {
    static final Object lock = new Object();
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                log.debug("获得锁");
                try {
//                    Thread.sleep(20000);
                    lock.wait(20000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }, "t1").start();

        Sleeper.sleep(1);
        synchronized (lock) {
            log.debug("获得锁");
        }
    }
}

1. Step1

@Slf4j(topic = "c.TestCorrectPosture")
public class TestCorrectPostureStep1 {
    static final Object room = new Object();
    static boolean hasCigarette = false; // 有没有烟
    static boolean hasTakeout = false;

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            synchronized (room) {
                log.debug("有烟没？[{}]", hasCigarette);
                if (!hasCigarette) {
                    log.debug("没烟，先歇会！");
                    sleep(2);
                }
                log.debug("有烟没？[{}]", hasCigarette);
                if (hasCigarette) {
                    log.debug("可以开始干活了");
                }
            }
        }, "小南").start();

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                synchronized (room) {
                    log.debug("可以开始干活了");
                }
            }, "其它人").start();
        }

        sleep(1);
        new Thread(() -> {
            // 这里能不能加 synchronized (room)？
            hasCigarette = true;
            log.debug("烟到了噢！");
        }, "送烟的").start();
    }
}

其它干活的线程，都要一直阻塞，效率太低
小南线程必须睡足 2s 后才能醒来，就算烟提前送到，也无法立刻醒来
加了 synchronized (room) 后，就好比小南在里面反锁了门睡觉，烟根本没法送进门，main 没加 synchronized 就好像 main 线程是翻窗户进来的
解决方法，使用 wait - notify 机制

2. Step2

@Slf4j(topic = "c.TestCorrectPosture")
public class TestCorrectPostureStep2 {
    static final Object room = new Object();
    static boolean hasCigarette = false;
    static boolean hasTakeout = false;

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            synchronized (room) {
                log.debug("有烟没？[{}]", hasCigarette);
                if (!hasCigarette) {
                    log.debug("没烟，先歇会！");
                    try {
                        room.wait(2000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                log.debug("有烟没？[{}]", hasCigarette);
                if (hasCigarette) {
                    log.debug("可以开始干活了");
                }
            }
        }, "小南").start();

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                synchronized (room) {
                    log.debug("可以开始干活了");
                }
            }, "其它人").start();
        }

        sleep(1);
        new Thread(() -> {
            synchronized (room) {
                hasCigarette = true;
                log.debug("烟到了噢！");
                room.notify();
            }
        }, "送烟的").start();
    }
}

解决了其它干活的线程阻塞的问题
但如果有其它线程也在等待条件呢？

3. Step3

@Slf4j(topic = "c.TestCorrectPosture")
public class TestCorrectPostureStep3 {
    static final Object room = new Object();
    static boolean hasCigarette = false;
    static boolean hasTakeout = false;

    // 虚假唤醒
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            synchronized (room) {
                log.debug("有烟没？[{}]", hasCigarette);
                if (!hasCigarette) {
                    log.debug("没烟，先歇会！");
                    try {
                        room.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                log.debug("有烟没？[{}]", hasCigarette);
                if (hasCigarette) {
                    log.debug("可以开始干活了");
                } else {
                    log.debug("没干成活...");
                }
            }
        }, "小南").start();

        new Thread(() -> {
            synchronized (room) {
                Thread thread = Thread.currentThread();
                log.debug("外卖送到没？[{}]", hasTakeout);
                if (!hasTakeout) {
                    log.debug("没外卖，先歇会！");
                    try {
                        room.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                log.debug("外卖送到没？[{}]", hasTakeout);
                if (hasTakeout) {
                    log.debug("可以开始干活了");
                } else {
                    log.debug("没干成活...");
                }
            }
        }, "小女").start();

        sleep(1);
        new Thread(() -> {
            synchronized (room) {
                hasTakeout = true;
                log.debug("外卖到了噢！");
                room.notifyAll();
            }
        }, "送外卖的").start();
    }
}

notify 只能随机唤醒一个 WaitSet 中的线程，这时如果有其它线程也在等待，那么就可能唤醒不了正确的线程，称之为【虚假唤醒】
解决方法，改为 notifyAll

4. Step4

@Slf4j(topic = "c.TestCorrectPosture")
public class TestCorrectPostureStep4 {
    static final Object room = new Object();
    static boolean hasCigarette = false;
    static boolean hasTakeout = false;

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            synchronized (room) {
                log.debug("有烟没？[{}]", hasCigarette);
                while (!hasCigarette) {
                    log.debug("没烟，先歇会！");
                    try {
                        room.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                log.debug("有烟没？[{}]", hasCigarette);
                if (hasCigarette) {
                    log.debug("可以开始干活了");
                } else {
                    log.debug("没干成活...");
                }
            }
        }, "小南").start();

        new Thread(() -> {
            synchronized (room) {
                Thread thread = Thread.currentThread();
                log.debug("外卖送到没？[{}]", hasTakeout);
                if (!hasTakeout) {
                    log.debug("没外卖，先歇会！");
                    try {
                        room.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                log.debug("外卖送到没？[{}]", hasTakeout);
                if (hasTakeout) {
                    log.debug("可以开始干活了");
                } else {
                    log.debug("没干成活...");
                }
            }
        }, "小女").start();

        sleep(1);
        new Thread(() -> {
            synchronized (room) {
                hasTakeout = true;
                log.debug("外卖到了噢！");
                room.notifyAll();
            }
        }, "送外卖的").start();
    }
}

用 notifyAll 仅解决某个线程的唤醒问题，但使用 if + wait 判断仅有一次机会，一旦条件不成立，就没有重新判断的机会了
解决方法，用 while + wait，当条件不成立，再次 wait

5. Step5

synchronized(lock) {
    while(条件不成立) {
        lock.wait();
    }
    // 干活
}
// 另一个线程
synchronized(lock) {
    lock.notifyAll();
}

3. 同步模式之保护性暂停 🍁

1. 定义

即 Guarded Suspension，用在一个线程等待另一个线程的执行结果

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

2. 实现

class GuardedObject {
    private Object response;
    private final Object lock = new Object();
    public Object get() {
        synchronized (lock) {
            // 条件不满足则等待
            while (response == null) {
                try {
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            return response;
        }
    }
    public void complete(Object response) {
        synchronized (lock) {
            // 条件满足，通知等待线程
            this.response = response;
            lock.notifyAll();
        }
    }
}

一个线程等待另一个线程的执行结果

public static void main(String[] args) {
    GuardedObject guardedObject = new GuardedObject();
    new Thread(() -> {
        try {
            // 子线程执行下载
            List<String> response = download();
            log.debug("download complete...");
            guardedObject.complete(response);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }).start();
    log.debug("waiting...");
    // 主线程阻塞等待
    Object response = guardedObject.get();
    log.debug("get response: [{}] lines", ((List<String>) response).size());
}

# 结果
08:42:18.568 [main] c.TestGuardedObject - waiting...
08:42:23.312 [Thread-0] c.TestGuardedObject - download complete...
08:42:23.312 [main] c.TestGuardedObject - get response: [3] lines

3. 带超时版 GuardedObject

如果要控制超时时间呢

class GuardedObjectV2 {
    private Object response;
    private final Object lock = new Object();
    public Object get(long millis) {
        synchronized (lock) {
            // 1) 记录最初时间
            long begin = System.currentTimeMillis();
            // 2) 已经经历的时间
            long timePassed = 0;
            while (response == null) {
                // 4) 假设 millis 是 1000，结果在 400 时唤醒了，那么还有 600 要等
                long waitTime = millis - timePassed;
                log.debug("waitTime: {}", waitTime);
                if (waitTime <= 0) {
                    log.debug("break...");
                    break;
                }
                try {
                    lock.wait(waitTime);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                // 3) 如果提前被唤醒，这时已经经历的时间假设为 400
                timePassed = System.currentTimeMillis() - begin;
                log.debug("timePassed: {}, object is null {}", 
                          timePassed, response == null);
            }
            return response;
        }
    }
    public void complete(Object response) {
        synchronized (lock) {
            // 条件满足，通知等待线程
            this.response = response;
            log.debug("notify...");
            lock.notifyAll();
        }
    }
}

测试，没有超时

public static void main(String[] args) {
    GuardedObjectV2 v2 = new GuardedObjectV2();
    new Thread(() -> {
        sleep(1);
        v2.complete(null);
        sleep(1);
        v2.complete(Arrays.asList("a", "b", "c"));
    }).start();
    Object response = v2.get(2500);
    if (response != null) {
        log.debug("get response: [{}] lines", ((List<String>) response).size());
    } else {
        log.debug("can't get response");
    }
}

测试，没超时

1 2	// 等待时间不足 List<String> lines = v2.get(1500);

4. 原理之 join

join(long millis) 源码

public final synchronized void join(long millis)
    throws InterruptedException {
    long base = System.currentTimeMillis();
    long now = 0;

    if (millis < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
    }

    if (millis == 0) {
        while (isAlive()) {
            wait(0);
        }
    } else {
        // join一个指定的时间
        while (isAlive()) {
            long delay = millis - now;
            if (delay <= 0) {
                break;
            }
            wait(delay);
            now = System.currentTimeMillis() - base;
        }
    }
}

5. 多任务版 GuardedObject

图中 Futures 就好比居民楼一层的信箱（每个信箱有房间编号），左侧的 t0，t2，t4 就好比等待邮件的居民，右侧的 t1，t3，t5 就好比邮递员

如果需要在多个类之间使用 GuardedObject 对象，作为参数传递不是很方便，因此设计一个用来解耦的中间类，这样不仅能够解耦【结果等待者】和【结果生产者】，还能够同时支持多个任务的管理

新增 id 用来标识 GuardedObject

class GuardedObject {
    // 标识 Guarded Object
    private int id;
    public GuardedObject(int id) {
        this.id = id;
    }
    public int getId() {
        return id;
    }
    // 结果
    private Object response;
    // 获取结果
    // timeout 表示要等待多久 2000
    public Object get(long timeout) {
        synchronized (this) {
            // 开始时间 15:00:00
            long begin = System.currentTimeMillis();
            // 经历的时间
            long passedTime = 0;
            while (response == null) {
                // 这一轮循环应该等待的时间
                long waitTime = timeout - passedTime;
                // 经历的时间超过了最大等待时间时，退出循环
                if (timeout - passedTime <= 0) {
                    break;
                }
                try {
                    this.wait(waitTime); // 虚假唤醒 15:00:01
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                // 求得经历时间
                passedTime = System.currentTimeMillis() - begin; // 15:00:02 1s
            }
            return response;
        }
    }
    // 产生结果
    public void complete(Object response) {
        synchronized (this) {
            // 给结果成员变量赋值
            this.response = response;
            this.notifyAll();
        }
    }
}

中间解耦类

class Mailboxes {
    private static Map<Integer, GuardedObject> boxes = new Hashtable<>();
    private static int id = 1;
    // 产生唯一 id
    private static synchronized int generateId() {
        return id++;
    }
    public static GuardedObject getGuardedObject(int id) {
        return boxes.remove(id);
    }
    public static GuardedObject createGuardedObject() {
        GuardedObject go = new GuardedObject(generateId());
        boxes.put(go.getId(), go);
        return go;
    }
    public static Set<Integer> getIds() {
        return boxes.keySet();
    }
}

业务相关类

class People extends Thread{
    @Override
    public void run() {
        // 收信
        GuardedObject guardedObject = Mailboxes.createGuardedObject();
        log.debug("开始收信 id:{}", guardedObject.getId());
        Object mail = guardedObject.get(5000);
        log.debug("收到信 id:{}, 内容:{}", guardedObject.getId(), mail);
    }
}

class Postman extends Thread {
    private int id;
    private String mail;
    public Postman(int id, String mail) {
        this.id = id;
        this.mail = mail;
    }
    @Override
    public void run() {
        GuardedObject guardedObject = Mailboxes.getGuardedObject(id);
        log.debug("送信 id:{}, 内容:{}", id, mail);
        guardedObject.complete(mail);
    }
}

测试

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        new People().start();
    }
    Sleeper.sleep(1);
    for (Integer id : Mailboxes.getIds()) {
        new Postman(id, "内容" + id).start();
    }
}

# 某次运行结果
21:12:22.159 c.People [Thread-0] - 开始收信 id:3
21:12:22.159 c.People [Thread-1] - 开始收信 id:1
21:12:22.159 c.People [Thread-2] - 开始收信 id:2
21:12:23.163 c.Postman [Thread-4] - 送信 id:2, 内容:内容2
21:12:23.163 c.Postman [Thread-3] - 送信 id:3, 内容:内容3
21:12:23.164 c.People [Thread-2] - 收到信 id:2, 内容:内容2
21:12:23.164 c.People [Thread-0] - 收到信 id:3, 内容:内容3
21:12:23.164 c.Postman [Thread-5] - 送信 id:1, 内容:内容1
21:12:23.164 c.People [Thread-1] - 收到信 id:1, 内容:内容1

4. 异步模式之生产者/消费者 🍁

1、定义

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
生产者仅负责产生结果数据，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

2、实现

/ 消息队列类, java 线程之间通信
@Slf4j(topic = "c.MessageQueue")
class MessageQueue {
    // 消息的队列集合
    private LinkedList<Message> list = new LinkedList<>();
    // 队列容量
    private int capcity;

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

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

    // 存入消息
    public void put(Message message) {
        synchronized (list) {
            // 检查对象是否已满
            while(list.size() == capcity) {
                try {
                    log.debug("队列已满, 生产者线程等待");
                    list.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            // 将消息加入队列尾部
            list.addLast(message);
            log.debug("生产消息 {}", message);
            list.notifyAll();
        }
    }
}

final 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 +
                '}';
    }
}

测试

@Slf4j(topic = "c.Test21")
public class Test21 {
    public static void main(String[] args) {
        MessageQueue queue = new MessageQueue(2);
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            int id = i;
            new Thread(() -> {
                queue.put(new Message(id , "值"+id));
            }, "生产者" + i).start();
        }

        new Thread(() -> {
            while(true) {
                sleep(1);
                Message message = queue.take();
            }
        }, "消费者").start();
    }
}

6. Park & Unpark

1. 基本使用

它们是 LockSupport 类中的方法

// 暂停当前线程
LockSupport.park(); 
// 恢复某个线程的运行
LockSupport.unpark(暂停线程对象)

1、先 park 再 unpark

public static void main(String[] args) {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        log.debug("start...");
        sleep(1);
        log.debug("park...");
        LockSupport.park();
        log.debug("resume...");
    },"t1");
    t1.start();
    sleep(2);
    log.debug("unpark...");
    LockSupport.unpark(t1);
}

2、先 unpark 再 park

public static void main(String[] args) {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        log.debug("start...");
        sleep(2);
        log.debug("park...");
        LockSupport.park();
        log.debug("resume...");
    }, "t1");
    t1.start();
    sleep(1);
    log.debug("unpark...");
    LockSupport.unpark(t1);
}

两种情况 t1 都可以正常执行结束

特点

与 Object 的 wait & notify 相比

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

2. park/unpark 原理

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，条件变量就好比背包中的帐篷。_counter 就好比背包中的备用干粮（0 为耗尽，1 为充足）
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

调用 Unsafe.park()

当前线程调用 Unsafe.park() 方法
检查 _counter ，本情况为 0，这时，获得 _mutex 互斥锁
线程进入 _cond 条件变量阻塞
设置 _counter = 0

调用 Unsafe.unpark(Thread-0)

调用 Unsafe.unpark(Thread_0) 方法，设置 _counter 为 1
唤醒 _cond 条件变量中的 Thread_0
Thread_0 恢复运行
设置 _counter 为 0

调用 Unsafe.unpark(Thread-0)，再调用 Unsafe.park()

调用 Unsafe.unpark(Thread_0) 方法，设置 _counter 为 1
当前线程调用 Unsafe.park() 方法
检查 _counter ，本情况为 1，这时线程无需阻塞，继续运行
设置 _counter 为 0

7. 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 --> RUNNABL

情况 2 RUNNABLE <--> WAITING

t 线程用 synchronized(obj) 获取了对象锁

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

@Slf4j(topic = "c.TestWaitNotify")
public class TestWaitNotify {
    final static Object obj = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            synchronized (obj) {
                log.debug("执行....");
                try {
                    obj.wait(); // 让线程在obj上一直等待下去
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                log.debug("其它代码....");
            }
        },"t1").start();

        sleep(0.5);
        new Thread(() -> {
            synchronized (obj) {
                log.debug("执行....");
                try {
                    obj.wait(); // 让线程在obj上一直等待下去
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                log.debug("其它代码....");
            }
        },"t2").start();

        // 主线程两秒后执行
        sleep(0.5);
        log.debug("唤醒 obj 上其它线程");
        synchronized (obj) {
//            obj.notify(); // 唤醒obj上一个线程
            obj.notifyAll(); // 唤醒obj上所有等待线程
        }
    }
}

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
t 线程等待时间超过了 n 毫秒，或调用 obj.notify() ， obj.notifyAll() ， t.interrupt() 时
- 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 RUNNABLE <--> 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) 获取了对象锁时如果竞争失败，从 RUNNABLE --> BLOCKED
持 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，如果其中 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

8. 多锁

多把不相干的锁

一间大屋子有两个功能：睡觉、学习，互不相干。

现在小南要学习，小女要睡觉，但如果只用一间屋子（一个对象锁）的话，那么并发度很低

解决方法是准备多个房间（多个对象锁）

例如

class BigRoom {
    public void sleep() {
        synchronized (this) {
            log.debug("sleeping 2 小时");
            Sleeper.sleep(2);
        }
    }
    public void study() {
        synchronized (this) {
            log.debug("study 1 小时");
            Sleeper.sleep(1);
        }
    }
}

执行

BigRoom bigRoom = new BigRoom();
new Thread(() -> {
    bigRoom.compute();
},"小南").start();
new Thread(() -> {
    bigRoom.sleep();
},"小女").start();

改进

class BigRoom {
    private final Object studyRoom = new Object();
    private final Object bedRoom = new Object();
    public void sleep() {
        synchronized (bedRoom) {
            log.debug("sleeping 2 小时");
            Sleeper.sleep(2);
        }
    }
    public void study() {
        synchronized (studyRoom) {
            log.debug("study 1 小时");
            Sleeper.sleep(1);
        }
    }
}

将锁的粒度细分

好处，是可以增强并发度
坏处，如果一个线程需要同时获得多把锁，就容易发生死锁

9. 活跃性

1. 死锁

有这样的情况：一个线程需要同时获取多把锁，这时就容易发生死锁

t1 线程 获得 A对象 锁，接下来想获取 B对象 的锁

t2 线程 获得 B对象 锁，接下来想获取 A对象 的锁，例：

private static void test1() {
    Object A = new Object();
    Object B = new Object();
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        synchronized (A) {
            log.debug("lock A");
            sleep(1);
            synchronized (B) {
                log.debug("lock B");
                log.debug("操作...");
            }
        }
    }, "t1");

    Thread t2 = new Thread(() -> {
        synchronized (B) {
            log.debug("lock B");
            sleep(0.5);
            synchronized (A) {
                log.debug("lock A");
                log.debug("操作...");
            }
        }
    }, "t2");
    t1.start();
    t2.start();
}

2. 定位死锁

检测死锁可以使用 jconsole工具，或者使用 jps 定位进程 id，再用 jstack 定位死锁：

C:\Users\Administrator>jps
11232 Jps
1200
12132 Launcher
21336 TestDeadLock

C:\Users\Administrator>jstack 21336
...
Found one Java-level deadlock:
=============================
"t2":
  waiting to lock monitor 0x000002905f66f368 (object 0x00000000d737e9b8, a java.lang.Object),
  which is held by "t1"
"t1":
  waiting to lock monitor 0x000002905e4cc928 (object 0x00000000d737e9c8, a java.lang.Object),
  which is held by "t2"

Java stack information for the threads listed above:
===================================================
"t2":
        at cn.itcast.n4.deadlock.TestDeadLock.lambda$test1$1(TestDeadLock.java:32)
        - waiting to lock <0x00000000d737e9b8> (a java.lang.Object)
        - locked <0x00000000d737e9c8> (a java.lang.Object)
        at cn.itcast.n4.deadlock.TestDeadLock$$Lambda$2/1908923184.run(Unknown Source)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
"t1":
        at cn.itcast.n4.deadlock.TestDeadLock.lambda$test1$0(TestDeadLock.java:21)
        - waiting to lock <0x00000000d737e9c8> (a java.lang.Object)
        - locked <0x00000000d737e9b8> (a java.lang.Object)
        at cn.itcast.n4.deadlock.TestDeadLock$$Lambda$1/1207140081.run(Unknown Source)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

Found 1 deadlock.

避免死锁要注意加锁顺序
另外如果由于某个线程进入了死循环，导致其它线程一直等待，对于这种情况 linux 下可以通过 top 先定位到 CPU 占用高的 Java 进程，再利用 top -Hp 进程id 来定位是哪个线程，最后再用 jstack 排查

2. 哲学家就餐问题

有五位哲学家，围坐在圆桌旁。

他们只做两件事，思考和吃饭，思考一会吃口饭，吃完饭后接着思考。
吃饭时要用两根筷子吃，桌上共有 5 根筷子，每位哲学家左右手边各有一根筷子。
如果筷子被身边的人拿着，自己就得等待

@Slf4j(topic = "c.Philosopher")
class Philosopher extends Thread {
    Chopstick left;
    Chopstick right;

    public Philosopher(String name, Chopstick left, Chopstick right) {
        super(name);
        this.left = left;
        this.right = right;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            //　尝试获得左手筷子
            synchronized (left) {
                // 尝试获得右手筷子
                synchronized (right) {
                    eat();
                }
            }
        }
    }
    
    private void eat() {
        log.debug("eating...");
        Sleeper.sleep(0.5);
    }
}

class Chopstick {
    String name;

    public Chopstick(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "筷子{" + name + '}';
    }
}

测试

public static void main(String[] args) {
    Chopstick c1 = new Chopstick("1");
    Chopstick c2 = new Chopstick("2");
    Chopstick c3 = new Chopstick("3");
    Chopstick c4 = new Chopstick("4");
    Chopstick c5 = new Chopstick("5");
    new Philosopher("苏格拉底", c1, c2).start();
    new Philosopher("柏拉图", c2, c3).start();
    new Philosopher("亚里士多德", c3, c4).start();
    new Philosopher("赫拉克利特", c4, c5).start();
    new Philosopher("阿基米德", c1, c5).start();
}

执行一会程序不再打印信息

使用 jconsole 检测死锁，发现

-------------------------------------------------------------------------
名称: 阿基米德
状态: cn.itcast.Chopstick@1540e19d (筷子1) 上的BLOCKED, 拥有者: 苏格拉底
总阻止数: 2, 总等待数: 1
堆栈跟踪:
cn.itcast.Philosopher.run(TestDinner.java:48)
 - 已锁定 cn.itcast.Chopstick@6d6f6e28 (筷子5)
-------------------------------------------------------------------------
名称: 苏格拉底
状态: cn.itcast.Chopstick@677327b6 (筷子2) 上的BLOCKED, 拥有者: 柏拉图
总阻止数: 2, 总等待数: 1
堆栈跟踪:
cn.itcast.Philosopher.run(TestDinner.java:48)
 - 已锁定 cn.itcast.Chopstick@1540e19d (筷子1)
-------------------------------------------------------------------------
名称: 柏拉图
状态: cn.itcast.Chopstick@14ae5a5 (筷子3) 上的BLOCKED, 拥有者: 亚里士多德
总阻止数: 2, 总等待数: 0
堆栈跟踪:
cn.itcast.Philosopher.run(TestDinner.java:48)
 - 已锁定 cn.itcast.Chopstick@677327b6 (筷子2)
-------------------------------------------------------------------------
名称: 亚里士多德
状态: cn.itcast.Chopstick@7f31245a (筷子4) 上的BLOCKED, 拥有者: 赫拉克利特
总阻止数: 1, 总等待数: 1
堆栈跟踪:
cn.itcast.Philosopher.run(TestDinner.java:48)
 - 已锁定 cn.itcast.Chopstick@14ae5a5 (筷子3)
-------------------------------------------------------------------------
名称: 赫拉克利特
状态: cn.itcast.Chopstick@6d6f6e28 (筷子5) 上的BLOCKED, 拥有者: 阿基米德
总阻止数: 2, 总等待数: 0
堆栈跟踪:
cn.itcast.Philosopher.run(TestDinner.java:48)
 - 已锁定 cn.itcast.Chopstick@7f31245a (筷子4)

这种线程没有按预期结束，执行不下去的情况，归类为【活跃性】问题，除了死锁以外，还有活锁和饥饿者两种情况

该问题解决见 ReentrantLock

3. 活锁

活锁出现在两个线程互相改变对方的结束条件，最后谁也无法结束，例如

public class TestLiveLock {
    static volatile int count = 10;
    static final Object lock = new Object();
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            // 期望减到 0 退出循环
            while (count > 0) {
                sleep(0.2);
                count--;
                log.debug("count: {}", count);
            }
        }, "t1").start();
        new Thread(() -> {
            // 期望超过 20 退出循环
            while (count < 20) {
                sleep(0.2);
                count++;
                log.debug("count: {}", count);
            }
        }, "t2").start();
    }
}

4. 饥饿

很多教程中把饥饿定义为，一个线程由于优先级太低，始终得不到 CPU 调度执行，也不能够结束，饥饿的情况不易演示，讲读写锁时会涉及饥饿问题

下面我讲一下我遇到的一个线程饥饿的例子，先来看看使用顺序加锁的方式解决之前的死锁问题

顺序加锁的解决方案

10. ReentrantLock

相对于 synchronized 它具备如下特点

可中断
可以设置超时时间
可以设置为公平锁
支持多个条件变量

与 synchronized 一样，都支持可重入

基本语法

// 获取锁
reentrantLock.lock();
try {
    // 临界区
} finally {
    // 释放锁
    reentrantLock.unlock();
}

1. 可重入

可重入是指同一个线程如果首次获得了这把锁，那么因为它是这把锁的拥有者，因此有权利再次获取这把锁

如果是不可重入锁，那么第二次获得锁时，自己也会被锁挡住

static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
public static void main(String[] args) {
    method1();
}
public static void method1() {
    lock.lock();
    try {
        log.debug("execute method1");
        method2();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}
public static void method2() {
    lock.lock();
    try {
        log.debug("execute method2");
        method3();
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}
public static void method3() {
    lock.lock();
    try {
        log.debug("execute method3");
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

2. 可打断

public static void main(String[] args) {
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        log.debug("启动...");
        try {
            // 如果没有竞争，那么此方法就会获取 lock 对象锁
            // 如果有竞争就进入阻塞队列，可以被其他线程用 interrupt 方式打断
            lock.lockInterruptibly();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
            log.debug("等锁的过程中被打断");
            return;
        }
        try {
            log.debug("获得了锁");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }, "t1");
    lock.lock();
    log.debug("获得了锁");
    t1.start();
    try {
        sleep(1);
        t1.interrupt();
        log.debug("执行打断");
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

注意 : 如果是不可中断模式，那么即使使用了 interrupt 也不会让等待中断

3. 锁超时

1. 立刻失败

public static void main(String[] args) {
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        log.debug("启动...");
        // 尝试获得锁
        if (!lock.tryLock()) {
            log.debug("获取立刻失败，返回");
            return;
        }
        try {
            log.debug("获得了锁");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }, "t1");
    lock.lock();
    log.debug("获得了锁");
    t1.start();
    try {
        sleep(2);
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

2. 超时失败

public static void main(String[] args) {
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        log.debug("启动...");
        try {
            if (!lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS)) {
                log.debug("获取等待 1s 后失败，返回");
                return;
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        try {
            log.debug("获得了锁");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }, "t1");
    lock.lock();
    log.debug("获得了锁");
    t1.start();
    try {
        sleep(2);
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

3. 使用 tryLock 解决哲学家就餐问题

@Slf4j(topic = "c.Philosopher")
class Philosopher extends Thread {
    Chopstick left;
    Chopstick right;

    public Philosopher(String name, Chopstick left, Chopstick right) {
        super(name);
        this.left = left;
        this.right = right;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            //　尝试获得左手筷子
            if(left.tryLock()) {
                try {
                    // 尝试获得右手筷子
                    if(right.tryLock()) {
                        try {
                            eat();
                        } finally {
                            right.unlock();
                        }
                    }
                } finally {
                    left.unlock(); // 释放自己手里的筷子
                }
            }
        }
    }
    
    private void eat() {
        log.debug("eating...");
        Sleeper.sleep(0.5);
    }
}

class Chopstick extends ReentrantLock {
    String name;

    public Chopstick(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "筷子{" + name + '}';
    }
}

测试

public static void main(String[] args) {
    Chopstick c1 = new Chopstick("1");
    Chopstick c2 = new Chopstick("2");
    Chopstick c3 = new Chopstick("3");
    Chopstick c4 = new Chopstick("4");
    Chopstick c5 = new Chopstick("5");
    new Philosopher("苏格拉底", c1, c2).start();
    new Philosopher("柏拉图", c2, c3).start();
    new Philosopher("亚里士多德", c3, c4).start();
    new Philosopher("赫拉克利特", c4, c5).start();
    new Philosopher("阿基米德", c5, c1).start();
}

4. 公平锁

ReentrantLock 默认是不公平的

ReentrantLock 构造源码

/**
 * Creates an instance of {@code ReentrantLock}.
 * This is equivalent to using {@code ReentrantLock(false)}.
 */
public ReentrantLock() {
    sync = new NonfairSync();
}

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(false);
lock.lock();
for (int i = 0; i < 500; i++) {
    new Thread(() -> {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " running...");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }, "t" + i).start();
}
// 1s 之后去争抢锁
Thread.sleep(1000);
new Thread(() -> {
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " start...");
    lock.lock();
    try {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " running...");
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}, "强行插入").start();
lock.unlock();

强行插入，有机会在中间输出

注意：该实验不一定总能复现

t39 running... 
t40 running... 
t41 running... 
t42 running... 
t43 running... 
强行插入 start... 
强行插入 running... 
t44 running... 
t45 running... 
t46 running... 
t47 running... 
t49 running...

改为公平锁后

1	ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);

强行插入，总是在最后输出

t465 running... 
t464 running... 
t477 running... 
t442 running... 
t468 running... 
t493 running... 
t482 running... 
t485 running... 
t481 running... 
强行插入 running...

公平锁一般没有必要，会降低并发度，后面分析原理时会讲解

5. 条件变量

synchronized 中也有条件变量，就是我们讲原理时那个 waitSet 休息室，当条件不满足时进入 waitSet 等待

ReentrantLock 的条件变量比 synchronized 强大之处在于，它是支持多个条件变量的，这就好比

synchronized 是那些不满足条件的线程都在一间休息室等消息
而 ReentrantLock 支持多间休息室，有专门等烟的休息室、专门等早餐的休息室、唤醒时也是按休息室来唤醒

使用要点：

await 前需要获得锁
await 执行后，会释放锁，进入 conditionObject 等待
await 的线程被唤醒（或打断、或超时）取重新竞争 lock 锁
竞争 lock 锁成功后，从 await 后继续执行

public class Test24 {
    static final Object room = new Object();
    static boolean hasCigarette = false;
    static boolean hasTakeout = false;
    static ReentrantLock ROOM = new ReentrantLock();
    // 等待烟的休息室
    static Condition waitCigaretteSet = ROOM.newCondition();
    // 等外卖的休息室
    static Condition waitTakeoutSet = ROOM.newCondition();

    public static void main(String[] args) {

        new Thread(() -> {
            ROOM.lock();
            try {
                log.debug("有烟没？[{}]", hasCigarette);
                while (!hasCigarette) {
                    log.debug("没烟，先歇会！");
                    try {
                        waitCigaretteSet.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                log.debug("可以开始干活了");
            } finally {
                ROOM.unlock();
            }
        }, "小南").start();

        new Thread(() -> {
            ROOM.lock();
            try {
                log.debug("外卖送到没？[{}]", hasTakeout);
                while (!hasTakeout) {
                    log.debug("没外卖，先歇会！");
                    try {
                        waitTakeoutSet.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                log.debug("可以开始干活了");
            } finally {
                ROOM.unlock();
            }
        }, "小女").start();

        sleep(1);
        new Thread(() -> {
            ROOM.lock();
            try {
                hasTakeout = true;
                waitTakeoutSet.signal();
            } finally {
                ROOM.unlock();
            }
        }, "送外卖的").start();

        sleep(1);

        new Thread(() -> {
            ROOM.lock();
            try {
                hasCigarette = true;
                waitCigaretteSet.signal();
            } finally {
                ROOM.unlock();
            }
        }, "送烟的").start();
    }
}

11. 同步模式之顺序控制 🍁

1. 固定运行顺序

比如，必须先 2 后 1 打印

1. wait notify 版

// 用来同步的对象
static Object obj = new Object();
// t2 运行标记， 代表 t2 是否执行过
static boolean t2runed = false;
public static void main(String[] args) {
    Thread t1 = new Thread(() -> {
        synchronized (obj) {
            // 如果 t2 没有执行过
            while (!t2runed) { 
                try {
                    // t1 先等一会
                    obj.wait(); 
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
        System.out.println(1);
    });
    Thread t2 = new Thread(() -> {
        System.out.println(2);
        synchronized (obj) {
            // 修改运行标记
            t2runed = true;
            // 通知 obj 上等待的线程（可能有多个，因此需要用 notifyAll）
            obj.notifyAll();
        }
    });
    t1.start();
    t2.start();
}

2. Park Unpark 版

可以看到，实现上很麻烦：

首先，需要保证先 wait 再 notify，否则 wait 线程永远得不到唤醒。因此使用了『运行标记』来判断该不该 wait
第二，如果有些干扰线程错误地 notify 了 wait 线程，条件不满足时还要重新等待，使用了 while 循环来解决此问题
最后，唤醒对象上的 wait 线程需要使用 notifyAll，因为『同步对象』上的等待线程可能不止一个

可以使用 LockSupport 类的 park 和 unpark 来简化上面的题目：

Thread t1 = new Thread(() -> {
    try { Thread.sleep(1000); } catch (InterruptedException e) { }
    // 当没有『许可』时，当前线程暂停运行；有『许可』时，用掉这个『许可』，当前线程恢复运行
    LockSupport.park();
    System.out.println("1");
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
    System.out.println("2");
    // 给线程 t1 发放『许可』（多次连续调用 unpark 只会发放一个『许可』）
    LockSupport.unpark(t1);
});
t1.start();
t2.start();

park 和 unpark 方法比较灵活，他俩谁先调用，谁后调用无所谓。并且是以线程为单位进行『暂停』和『恢复』，不需要『同步对象』和『运行标记』

2. 交替输出

线程 1 输出 a 5 次，线程 2 输出 b 5 次，线程 3 输出 c 5 次。现在要求输出 abcabcabcabcabc 怎么实现

1. wait notify 版

@Slf4j(topic = "c.Test27")
public class Test27 {
    public static void main(String[] args) {
        WaitNotify wn = new WaitNotify(1, 5);
        new Thread(() -> {
            wn.print("a", 1, 2);
        }).start();
        new Thread(() -> {
            wn.print("b", 2, 3);
        }).start();
        new Thread(() -> {
            wn.print("c", 3, 1);
        }).start();
    }
}

/*
输出内容       等待标记     下一个标记
   a           1             2
   b           2             3
   c           3             1
 */
class WaitNotify {
    
    // 等待标记
    private int flag; // 2
    // 循环次数
    private int loopNumber;

    public WaitNotify(int flag, int loopNumber) {
        this.flag = flag;
        this.loopNumber = loopNumber;
    }

    // 打印               a           1             2
    public void print(String str, int waitFlag, int nextFlag) {
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            synchronized (this) {
                while(flag != waitFlag) {
                    try {
                        this.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                System.out.print(str);
                flag = nextFlag;
                this.notifyAll();
            }
        }
    }
}

2. Lock 条件变量版

public class Test30 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AwaitSignal awaitSignal = new AwaitSignal(5);
        Condition a = awaitSignal.newCondition();
        Condition b = awaitSignal.newCondition();
        Condition c = awaitSignal.newCondition();
        new Thread(() -> {
            awaitSignal.print("a", a, b);
        }).start();
        new Thread(() -> {
            awaitSignal.print("b", b, c);
        }).start();
        new Thread(() -> {
            awaitSignal.print("c", c, a);
        }).start();

        Thread.sleep(1000);
        awaitSignal.lock();
        try {
            System.out.println("开始...");
            a.signal();
        } finally {
            awaitSignal.unlock();
        }
    }
}

class AwaitSignal extends ReentrantLock{
    private int loopNumber;

    public AwaitSignal(int loopNumber) {
        this.loopNumber = loopNumber;
    }

    /**
     * @author dahuang
     * @date 2021/11/16 18:53
     * @param str     打印内容
     * @param current 进入哪一间休息室
     * @param next    下一间休息室
     */
    public void print(String str, Condition current, Condition next) {
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            lock();
            try {
                current.await();
                System.out.print(str);
                next.signal();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                unlock();
            }
        }
    }
}

3. Park Unpark 版

public class Test31 {

    static Thread t1;
    static Thread t2;
    static Thread t3;
    public static void main(String[] args) {
        ParkUnpark pu = new ParkUnpark(5);
        t1 = new Thread(() -> {
            pu.print("a", t2);
        });
        t2 = new Thread(() -> {
            pu.print("b", t3);
        });
        t3 = new Thread(() -> {
            pu.print("c", t1);
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
        LockSupport.unpark(t1);
    }
}

class ParkUnpark {

    private int loopNumber;

    public ParkUnpark(int loopNumber) {
        this.loopNumber = loopNumber;
    }

    public void print(String str, Thread next) {
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            LockSupport.park();
            System.out.print(str);
            LockSupport.unpark(next);
        }
    }
}

12. 小结

本章我们需要重点掌握的是

分析多线程访问共享资源时，哪些代码片段属于临界区
使用 synchronized 互斥解决临界区的线程安全问题
- 掌握 synchronized 锁对象语法
- 掌握 synchronzied 加载成员方法和静态方法语法
- 掌握 wait/notify 同步方法
使用 lock 互斥解决临界区的线程安全问题
- 掌握 lock 的使用细节：可打断、锁超时、公平锁、条件变量
学会分析变量的线程安全性、掌握常见线程安全类的使用
了解线程活跃性问题：死锁、活锁、饥饿

应用方面

互斥：使用 synchronized 或 Lock 达到共享资源互斥效果
同步：使用 wait/notify 或 Lock 的条件变量来达到线程间通信效果

原理方面

monitor、synchronized 、wait/notify 原理
synchronized 进阶原理
park & unpark 原理

模式方面

同步模式之保护性暂停
异步模式之生产者消费者
同步模式之顺序控制