深入理解Object提供的阻塞和唤醒API

作者: Java高级架构狮 | 来源:发表于2019-05-04 15:55 被阅读1次

前提

前段时间花了大量时间去研读JUC中同步器AbstractQueuedSynchronizer的源码实现，再结合很久之前看过的一篇关于Object提供的等待和唤醒机制的JVM实现，发现两者有不少的关联，于是决定重新研读一下Object中提供的阻塞和唤醒方法。本文阅读JDK类库源码使用的JDK版本是JDK11，因为本文内容可能不适合于其他版本。

Object提供的阻塞和唤醒API

java.lang.Object作为所有非基本类型的基类，也就是说所有java.lang.Object的子类都具备阻塞和唤醒的功能。下面详细分析Object提供的阻塞和唤醒API。

阻塞等待-wait

等待-wait()方法提供了阻塞的功能，分超时和永久阻塞的版本，实际上，底层只提供了一个JNI方法：

// 这个是底层提供的JNI方法，带超时的阻塞等待，响应中断，其他两个只是变体
public final native void wait(long timeoutMillis) throws InterruptedException;

// 变体方法1，永久阻塞，响应中断
public final void wait() throws InterruptedException {
    wait(0L);
}

// 变体方法2，带超时的阻塞，超时时间分两段：毫秒和纳秒，实际上纳秒大于0直接毫秒加1(这么暴力...)，响应中断
public final void wait(long timeoutMillis, int nanos) throws InterruptedException {
    if (timeoutMillis < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("timeoutMillis value is negative");
    }
    if (nanos < 0 || nanos > 999999) {
        throw new IllegalArgumentException("nanosecond timeout value out of range");
    }
    if (nanos > 0) {
        timeoutMillis++;
    }
    wait(timeoutMillis);
}

也就是只有一个wait(long timeoutMillis)方法是JNI接口，其他两个方法相当于：

wait()等价于wait(0L)。
wait(long timeoutMillis, int nanos)在参数合法的情况下等价于wait(timeoutMillis + 1L)。

由于wait(long timeoutMillis, int nanos)是参数最完整的方法，它的API注释特别长，这里直接翻译和摘取它注释中的核心要素：

当前线程阻塞等待直到被唤醒，唤醒的情况一般有三种：notify(All)被调用、线程被中断或者在指定了超时阻塞的情况下超过了指定的阻塞时间。
当前线程必须获取此对象的监视器锁(monitor lock)，也就是调用阻塞等待方法之前一个线程必须成为此对象的监视器锁的拥有者。
调用了wait()方法之后，当前线程会把自身放到当前对象的等待集合(wait-set)，然后释放所有在此对象上的同步声明(then to relinquish any nd all synchronization claims on this object)，谨记只有当前对象上的同步声明会被释放，当前线程在其他对象上的同步锁只有在调用其wait()方法之后才会释放。
Warning：线程被唤醒之后(notify()或者中断)就会从等待集合(wait-set)中移除并且重新允许被线程调度器调度。通常情况下，这个被唤醒的线程会与其他线程竞争对象上的同步权(锁)，一旦线程重新控制了对象(regained control of the object)，它对对象的所有同步声明都恢复到以前的状态，即恢复到调用wait()方法时(笔者认为，其实准确来说，是调用wait()方法前)的状态。
如果任意线程在它调用了wait()之前，或者调用过wait()方法之后处于阻塞等待状态，一旦线程调用了Thread#interrupt()，线程就会中断并且抛出InterruptedException异常，线程的中断状态会被清除。InterruptedException异常会延迟到在第4点提到"它对对象的所有同步声明都恢复到以前的状态"的时候抛出。

值得注意的还有：

一个线程必须成为此对象的监视器锁的拥有者才能正常调用wait()系列方法，也就是wait()系列方法必须在同步代码块(synchronized代码块)中调用，否则会抛出IllegalMonitorStateException异常，这一点是初学者或者不了解wait()的机制的开发者经常会犯的问题。

上面的五点描述可以写个简单的同步代码块伪代码时序总结一下：

final Object lock = new Object();

synchronized(lock){
    1、线程进入同步代码块，意味着获取对象监视器锁成功
    while(!condition){
        lock.wait();   2.线程调用wait()进行阻塞等待
        break;
    }
    3.线程从wait()的阻塞等待中被唤醒，恢复到第1步之后的同步状态
    4.继续执行后面的代码，直到离开同步代码块
}

唤醒-notify

notify()方法的方法签名如下：

@HotSpotIntrinsicCandidate
public final native void notify();

下面按照惯例翻译一下其API注释：

唤醒一个阻塞等待在此对象监视器上的线程，(如果存在多个阻塞线程)至于选择哪一个线程进行唤醒是任意的，取决于具体的现实，一个线程通过调用wait()方法才能阻塞在对象监视器上。
被唤醒的线程并不会马上继续执行，直到当前线程(也就是当前调用了notify()方法的线程)释放对象上的锁。被唤醒的线程会与其他线程竞争在对象上进行同步(换言之只有获得对象的同步控制权才能继续执行)，在成为下一个锁定此对象的线程时，被唤醒的线程没有可靠的特权或劣势。
此方法只有在一个线程获取了此对象监视器的所有权(the owner)的时候才能调用，具体就是：同步方法中、同步代码块中或者静态同步方法中。否则，会抛出IllegalMonitorStateException异常。

唤醒所有-notifyAll

notifyAll()方法的方法签名如下：

@HotSpotIntrinsicCandidate
public final native void notifyAll();

1.唤醒所有阻塞等待在此对象监视器上的线程，一个线程通过调用wait()方法才能阻塞在对象监视器上。

其他注释的描述和notify()方法类似。

小结

我们经常看到的资料中提到synchronized关键字的用法：

普通同步方法，同步或者说锁定的是当前实例对象。
静态同步方法，同步或者说锁定的是当前实例对象的Class对象。
同步代码块，同步或者说锁定的是括号里面的实例对象。

对于同步代码块而言，synchronized关键字抽象到字节码层面就是同步代码块中的字节码执行在monitorenter和monitorexit指令之间：

synchronized(xxxx){

    ...coding block
}

↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓

monitorenter;
...coding block - bytecode
monitorexit;

JVM需要保证每一个monitorenter都有一个monitorexit与之相对应。任何对象都有一个monitor(实际上是ObjectMonitor)与之相关联，当且一个monitor被持有之后，它将处于锁定状态。线程执行到monitorenter指令时，将会尝试获取对象所对应的monitor所有权，即尝试获取对象的锁。

对于同步(静态)方法而言，synchronized方法则会被翻译成普通的方法调用和返回指令，如：invokevirtual等等，在JVM字节码层面并没有任何特别的指令来实现被synchronized修饰的方法，而是在Class文件的方法表中将该方法的access_flags字段中的synchronized标志位置1，表示该方法是同步方法并使用调用该方法的对象或该方法所属的Class在JVM的内部对象表示Klass做为锁对象。

其实从开发者角度简单理解，这两种方式只是在获取锁的时机有所不同。

下面重复阐述几个第一眼看起来不合理却是事实的问题(其实前文已经提及过)：

在线程进入synchronized方法或者代码块，相当于获取监视器锁成功，如果此时成功调用wait()系列方法，那么它会立即释放监视器锁，并且添加到等待集合(Wait Set)中进行阻塞等待。
由于已经有线程释放了监视器锁，那么在另一个线程进入synchronized方法或者代码块之后，它可以调用notify(All)方法唤醒等待集合中正在阻塞的线程，但是这个唤醒操作并不是调用notify(All)方法后立即生效，而是在该线程退出synchronized方法或者代码块之后才生效。
从wait()方法阻塞过程中被唤醒的线程会竞争监视器目标对象的控制权，一旦重新控制了对象，那么线程的同步状态就会恢复到步入synchronized方法或者代码块时候的状态(也就是成功获取到对象监视器锁时候的状态)，这个时候线程才能够继续执行。

为了验证这三点，可以写个简单的Demo：

public class Lock {
    @Getter
        private final Object lock = new Object();
}
public class WaitMain {
    private static final DateTimeFormatter F = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS");
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        final Lock lock = new Lock();
        new Thread(new  WaitRunnable(lock), "WaitThread-1").start();
        new Thread(new  WaitRunnable(lock), "WaitThread-2").start();
        Thread.sleep(50);
        new Thread(new  NotifyRunnable(lock), "NotifyThread").start();
        Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
    }
    @RequiredArgsConstructor
        private static class WaitRunnable implements Runnable {
        private final Lock lock;
        @Override
                public void run() {
            synchronized (lock) {
                System.out.println(String.format("[%s]-线程[%s]获取锁成功,准备执行wait方法", F.format(LocalDateTime.now()),
                                        Thread.currentThread().getName()));
                while (true) {
                    try {
                        lock.wait();
                    }
                    catch (InterruptedException e) {
                        //ignore
                    }
                    System.out.println(String.format("[%s]-线程[%s]从wait中唤醒,准备exit", F.format(LocalDateTime.now()),
                                                Thread.currentThread().getName()));
                    try {
                        Thread.sleep(500);
                    }
                    catch (InterruptedException e) {
                        //ignore
                    }
                    break;
                }
            }
        }
    }
    @RequiredArgsConstructor
        private static class NotifyRunnable implements Runnable {
        private final Lock lock;
        @Override
                public void run() {
            synchronized (lock) {
                System.out.println(String.format("[%s]-线程[%s]获取锁成功,准备执行notifyAll方法", F.format(LocalDateTime.now()),
                                        Thread.currentThread().getName()));
                lock.notifyAll();
                System.out.println(String.format("[%s]-线程[%s]先休眠3000ms", F.format(LocalDateTime.now()),
                                        Thread.currentThread().getName()));
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                }
                catch (InterruptedException e) {
                    //ignore
                }
                System.out.println(String.format("[%s]-线程[%s]准备exit", F.format(LocalDateTime.now()),
                                        Thread.currentThread().getName()));
            }
        }
    }
}

某个时刻的执行结果如下：

[2019-04-27 23:28:17.617]-线程[WaitThread-1]获取锁成功,准备执行wait方法
[2019-04-27 23:28:17.631]-线程[WaitThread-2]获取锁成功,准备执行wait方法
[2019-04-27 23:28:17.657]-线程[NotifyThread]获取锁成功,准备执行notifyAll方法 <-------- 这一步执行完说明WaitThread已经释放了锁
[2019-04-27 23:28:17.657]-线程[NotifyThread]先休眠3000ms
[2019-04-27 23:28:20.658]-线程[NotifyThread]准备exit <------- 这一步后NotifyThread离开同步代码块
[2019-04-27 23:28:20.658]-线程[WaitThread-1]从wait中唤醒,准备exit <------- 这一步WaitThread-1解除阻塞
[2019-04-27 23:28:21.160]-线程[WaitThread-2]从wait中唤醒,准备exit <------- 这一步WaitThread-2解除阻塞，注意发生时间在WaitThread-1解除阻塞500ms之后，符合我们前面提到的第3点

如果结合wait()和notify()可以简单总结出一个同步代码块的伪代码如下：

final Object lock = new Object();

// 等待
synchronized(lock){
    1、线程进入同步代码块，意味着获取对象监视器锁成功
    while(!condition){
        lock.wait();   2.线程调用wait()进行阻塞等待
        break;
    }
    3.线程从wait()的阻塞等待中被唤醒，尝试恢复第1步之后的同步状态，并不会马上生效，直到notify被调用并且调用notify方法的线程已经释放锁，同时当前线程需要竞争成功
    4.继续执行后面的代码，直到离开同步代码块
}

// 唤醒
synchronized(lock){
    1、线程进入同步代码块，意味着获取对象监视器锁成功
    lock.notify();  2.唤醒其中一个在对象监视器上等待的线程
    3.准备推出同步代码块释放锁，只有释放锁之后第2步才会生效
}

图解Object提供的阻塞和唤醒机制

结合前面分析过的知识点以及参考资料中的文章，重新画一个图理解一下对象监视器以及相应阻塞和唤醒API的工作示意过程：

Entry Set(实际上是ObjectMonitor中的_EntryList属性)：存放等待锁并且处于阻塞状态的线程。
Wait Set(实际上是ObjectMonitor中的_WaitSet属性)：存放处于等待阻塞状态的线程。
The Owner(实际上是ObjectMonitor中的_owner属性)：指向获得对象监视器的线程，在同一个时刻只能有一个线程被The Owner持有，通俗来看，它就是监视器的控制权。

使用例子

通过Object提供的阻塞和唤醒机制举几个简单的使用例子。

维修厕所的例子

假设有以下场景：厕所的只有一个卡位，厕所维修工修厕所的时候，任何人不能上厕所。当厕所维修工修完厕所的时候，上厕所的人需要"得到厕所的控制权"才能上厕所。

// 厕所类
public class Toilet {
    // 厕所的锁
    private final Object lock = new Object();
    private boolean available;

    public Object getLock() {
        return lock;
    }

    public void setAvailable(boolean available) {
        this.available = available;
    }

    public boolean getAvailable() {
        return available;
    }
}

// 厕所维修工
@RequiredArgsConstructor
public class ToiletRepairer implements Runnable {

    private static final DateTimeFormatter F = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS");
    private final Toilet toilet;

    @Override
    public void run() {
        synchronized (toilet.getLock()) {
            System.out.println(String.format("[%s]-厕所维修员得到了厕所的锁,维修厕所要用5000ms...", LocalDateTime.now().format(F)));
            try {
                Thread.sleep(5000);
            } catch (Exception e) {
                // ignore
            }
            toilet.setAvailable(true);
            toilet.getLock().notifyAll();
            System.out.println(String.format("[%s]-厕所维修员维修完毕...", LocalDateTime.now().format(F)));
        }
    }
}

//上厕所的任务
@RequiredArgsConstructor
public class ToiletTask implements Runnable {

    private static final DateTimeFormatter F = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS");
    private final Toilet toilet;
    private final String name;
    private final Random random;

    @Override
    public void run() {
        synchronized (toilet.getLock()) {
            System.out.println(String.format("[%s]-%s得到了厕所的锁...", LocalDateTime.now().format(F), name));
            while (!toilet.getAvailable()) {
                try {
                    toilet.getLock().wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    //ignore
                }
                int time = random.nextInt(3) + 1;
                try {
                    // 模拟上厕所用时
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(time);
                } catch (InterruptedException e) {
                    //ignore
                }
                System.out.println(String.format("[%s]-%s上厕所用了%s秒...", LocalDateTime.now().format(F), name, time));
            }
        }
    }
}

// 场景入口
public class Main {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Toilet toilet = new Toilet();
        Random random = new Random();
        Thread toiletRepairer = new Thread(new ToiletRepairer(toilet), "ToiletRepairer");
        Thread thread1 = new Thread(new ToiletTask(toilet, "张三", random), "thread-1");
        Thread thread2 = new Thread(new ToiletTask(toilet, "李四", random), "thread-2");
        Thread thread3 = new Thread(new ToiletTask(toilet, "王五", random), "thread-3");
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
        Thread.sleep(50);
        toiletRepairer.start();
        Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
    }
}

某次执行的结果如下：

[2019-04-29 01:07:25.914]-张三得到了厕所的锁...
[2019-04-29 01:07:25.931]-李四得到了厕所的锁...
[2019-04-29 01:07:25.931]-王五得到了厕所的锁...
[2019-04-29 01:07:25.951]-厕所维修员得到了厕所的锁,维修厕所要用5000ms...
[2019-04-29 01:07:30.951]-厕所维修员维修完毕...
[2019-04-29 01:07:32.952]-张三上厕所用了2秒...
[2019-04-29 01:07:35.952]-王五上厕所用了3秒...
[2019-04-29 01:07:37.953]-李四上厕所用了2秒...

阻塞队列实现

实现一个简单固定容量的阻塞队列，接口如下：

public interface BlockingQueue<T> {
    void put(T value) throws InterruptedException;
    T take() throws InterruptedException;
}

其中put(T value)会阻塞直到队列中有可用的容量，而take()方法会阻塞直到有元素投放到队列中。实现如下：

public class DefaultBlockingQueue<T> implements BlockingQueue<T> {

    private Object[] elements;
    private final Object notEmpty = new Object();
    private final Object notFull = new Object();
    private int count;
    private int takeIndex;
    private int putIndex;

    public DefaultBlockingQueue(int capacity) {
        this.elements = new Object[capacity];
    }

    @Override
    public void put(T value) throws InterruptedException {
        synchronized (notFull) {
            while (count == elements.length) {
                notFull.wait();
            }
        }
        final Object[] items = this.elements;
        items[putIndex] = value;
        if (++putIndex == items.length) {
            putIndex = 0;
        }
        count++;
        synchronized (notEmpty) {
            notEmpty.notify();
        }
    }

    @SuppressWarnings("unchecked")
    @Override
    public T take() throws InterruptedException {
        synchronized (notEmpty) {
            while (count == 0) {
                notEmpty.wait();
            }
        }
        final Object[] items = this.elements;
        T value = (T) items[takeIndex];
        items[takeIndex] = null;
        if (++takeIndex == items.length) {
            takeIndex = 0;
        }
        count--;
        synchronized (notFull) {
            notFull.notify();
        }
        return value;
    }
}

场景入口类：

public class Main {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        BlockingQueue<String> queue = new DefaultBlockingQueue<>(5);
        Runnable r = () -> {
            while (true) {
                try {
                    String take = queue.take();
                    System.out.println(String.format("线程%s消费消息-%s", Thread.currentThread().getName(), take));
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        };
        new Thread(r, "thread-1").start();
        new Thread(r, "thread-2").start();

        IntStream.range(0, 10).forEach(i -> {
            try {
                queue.put(String.valueOf(i));
            } catch (InterruptedException e) {
                //ignore
            }
        });

        Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
    }
}

某次执行结果如下：

线程thread-1消费消息-0
线程thread-2消费消息-1
线程thread-1消费消息-2
线程thread-2消费消息-3
线程thread-1消费消息-4
线程thread-2消费消息-5
线程thread-1消费消息-6
线程thread-2消费消息-7
线程thread-1消费消息-8
线程thread-2消费消息-9

上面这个例子就是简单的单生产者-多消费者的模型。

线程池实现

这里实现一个极度简陋的固定容量的线程池，功能是：初始化固定数量的活跃线程，阻塞直到有可用的线程用于提交任务。它只有一个接口方法，接口定义如下：

public interface ThreadPool {
    void execute(Runnable runnable);
}

具体实现如下：

public class DefaultThreadPool implements ThreadPool {

    private final int capacity;
    private List<Worker> initWorkers;
    private Deque<Worker> availableWorkers;
    private Deque<Worker> busyWorkers;
    private final Object nextLock = new Object();

    public DefaultThreadPool(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
        init(capacity);
    }

    private void init(int capacity) {
        initWorkers = new ArrayList<>(capacity);
        availableWorkers = new LinkedList<>();
        busyWorkers = new LinkedList<>();
        for (int i = 0; i < capacity; i++) {
            Worker worker = new Worker();
            worker.setName("Worker-" + (i + 1));
            worker.setDaemon(true);
            initWorkers.add(worker);
        }
        for (Worker w : initWorkers) {
            w.start();
            availableWorkers.add(w);
        }
    }

    @Override
    public void execute(Runnable runnable) {
        if (null == runnable) {
            return;
        }
        synchronized (nextLock) {
            while (availableWorkers.size() < 1) {
                try {
                    nextLock.wait(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    //ignore
                }
            }
            Worker worker = availableWorkers.removeFirst();
            busyWorkers.add(worker);
            worker.run(runnable);
            nextLock.notifyAll();
        }
    }

    private void makeAvailable(Worker worker) {
        synchronized (nextLock) {
            availableWorkers.add(worker);
            busyWorkers.remove(worker);
            nextLock.notifyAll();
        }
    }

    private class Worker extends Thread {

        private final Object lock = new Object();
        private Runnable runnable;
        private AtomicBoolean run = new AtomicBoolean(true);

        private void run(Runnable runnable) {
            synchronized (lock) {
                if (null != this.runnable) {
                    throw new IllegalStateException("Already running a Runnable!");
                }
                this.runnable = runnable;
                lock.notifyAll();
            }
        }

        @Override
        public void run() {
            boolean ran = false;
            while (run.get()) {
                try {
                    synchronized (lock) {
                        while (runnable == null && run.get()) {
                            lock.wait(500);
                        }

                        if (runnable != null) {
                            ran = true;
                            runnable.run();
                        }
                    }
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    synchronized (lock) {
                        runnable = null;
                    }
                    if (ran) {
                        ran = false;
                        makeAvailable(this);
                    }
                }
            }
        }
    }
}

场景类入口：

public class Main {

    private static final DateTimeFormatter F = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS");

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        ThreadPool threadPool = new DefaultThreadPool(2);
        threadPool.execute(() -> {
            try {
                System.out.println(String.format("[%s]-任务一开始执行持续3秒...", LocalDateTime.now().format(F)));
                Thread.sleep(3000);
                System.out.println(String.format("[%s]-任务一执行结束...", LocalDateTime.now().format(F)));
            }catch (Exception e){
                //ignore
            }
        });
        threadPool.execute(() -> {
            try {
                System.out.println(String.format("[%s]-任务二开始执行持续4秒...", LocalDateTime.now().format(F)));
                Thread.sleep(4000);
                System.out.println(String.format("[%s]-任务二执行结束...", LocalDateTime.now().format(F)));
            }catch (Exception e){
                //ignore
            }
        });
        threadPool.execute(() -> {
            try {
                System.out.println(String.format("[%s]-任务三开始执行持续5秒...", LocalDateTime.now().format(F)));
                Thread.sleep(5000);
                System.out.println(String.format("[%s]-任务三执行结束...", LocalDateTime.now().format(F)));
            }catch (Exception e){
                //ignore
            }
        });
        Thread.sleep(Integer.MAX_VALUE);
    }
}

某次执行结果如下：

[2019-04-29 02:07:25.465]-任务二开始执行持续4秒...
[2019-04-29 02:07:25.465]-任务一开始执行持续3秒...
[2019-04-29 02:07:28.486]-任务一执行结束...
[2019-04-29 02:07:28.486]-任务三开始执行持续5秒...
[2019-04-29 02:07:29.486]-任务二执行结束...
[2019-04-29 02:07:33.487]-任务三执行结束...

总结

结合之前看过JUC同步器的源码，一时醒悟过来，JUC同步器只是在数据结构和算法层面使用Java语言对原来JVM中C语言的阻塞和唤醒机制即Object提供的那几个JNI方法进行了一次实现而已。

最后，Object提供的阻塞等待唤醒机制是JVM实现的(如果特别熟悉C语言可以通过JVM源码研究其实现，对于大部分开发者来说是黑箱)，除非是特别熟练或者是JDK版本太低尚未引入JUC包，一般情况下不应该优先选择Object，而应该考虑专门为并发设计的JUC包中的类库。

深入理解Object提供的阻塞和唤醒API

前提

Object提供的阻塞和唤醒API

阻塞等待-wait

唤醒-notify

唤醒所有-notifyAll

小结

图解Object提供的阻塞和唤醒机制

使用例子

维修厕所的例子

阻塞队列实现

线程池实现

总结

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