一、状态依赖性管理
- 对于单线程程序，某个条件为假，那么这个条件将永远无法成真
- 在并发程序中，基于状态的条件可能会由于其他线程的操作而改变
可阻塞的状态依赖操作的结构 acquire lock on object state
while (precondition does not hold)
{
release lock
wait until precondition might hold
optionally fail if interrupted or timeout expires
reacquire lock
}
perform action
release lock
1 //有界缓存实现的基类
2 public abstract class BaseBoundedBuffer<V> {
3 private final V[] buf;
4 private int tail;
5 private int head;
6 private int count;
7
8 protected BaseBoundedBuffer(int capacity){
9 this.buf = (V[]) new Object[capacity];
10 }
11
12 protected synchronized final void doPut(V v){
13 buf[tail] = v;
14 if (++tail == buf.length){
15 tail = 0;
16 }
17 ++count;
18 }
19
20 protected synchronized final V doTake(){
21 V v = buf[head];
22 buf[head] = null; //let gc collect
23 if (++head == buf.length){
24 head = 0;
25 }
26 --count;
27 return v;
28 }
29
30 public synchronized final boolean isFull(){
31 return count == buf.length;
32 }
33
34 public synchronized final boolean isEmpty(){
35 return count == 0;
36 }
37 }
1、示例：将前提条件的失败传递给调用者
public class GrumyBoundedBuffer<V> extends BaseBoundedBuffer<V> {
public GrumyBoundedBuffer(int size){
super(size);
}
public synchronized void put(V v){
if (isFull()){
throw new BufferFullException();
}
doPut(v);
}
public synchronized V take(){
if (isEmpty())
throw new BufferEmptyExeption();
return doTake();
}
}
当不满足前提条件时，有界缓存不会执行相应的操作
缺点：已满情况不应为异常；调用者自行处理失败；sleep：降低响应性；自旋等待：浪费CPU；yield让出CPU
2、示例：通过轮询与休眠来实现简单的阻塞
public class SleepyBounedBuffer<V> extends BaseBoundedBuffer<V> {
private static long SLEEP_TIME;
public SleepyBounedBuffer(int size) {
super(size);
}
public void put(V v) throws InterruptedException{
while (true){
synchronized(this){
if (!isFull()){
doPut(v);
return;
}
}
Thread.sleep(SLEEP_TIME);
}
}
public V take() throws InterruptedException{
while (true){
synchronized(this){
if (!isEmpty()){
return doTake();
}
}
Thread.sleep(SLEEP_TIME);
}
}
}
“轮询与休眠“重试机制
优点：对于调用者，无需处理失败与异常，操作可阻塞，可中断（休眠时候不要持有锁）
缺点：对于休眠时间设置的权衡（响应性与CPU资源）
3、条件队列——使得一组线程（称之为等待线程集合）能够通过某种方式来等待特定的条件变成真（元素是一个个正在等待相关条件的线程）
-
每个对象都可以作为一个条件队列（API：wait、notify和notifyAll)
- Object.wait会自动释放锁，并请求操作系统挂起当前线程，从而使其他线程能够获得这个锁并且修改对象的状态
- Object.notify/notifyAll通知被挂起的线程可以重新请求资源执行
- 只有能对状态进行检查时，才能在某个条件上等待，并且只有能修改状态时，才能从条件等待中释放另一个线程
- 条件队列在CPU效率、上下文切换开销和响应性等进行了优化
- 如果某个功能无法通过“轮询和休眠”来实现，那么使用条件队列也无法实现
1 public class BoundedBuffer<V> extends BaseBoundedBuffer<V> {
2
3 public BoundedBuffer(int capacity) {
4 super(capacity);
5 }
6
7 public synchronized void put(V v) throws InterruptedException{
8 while (isFull()){
9 wait();
10 }
11 doPut(v);
12 notifyAll();
13 }
14
15 public synchronized V take() throws InterruptedException{
16 while (isEmpty()){
17 wait();
18 }
19 V v = doTake();
20 notifyAll();
21 return v;
22 }
23 }
二、使用条件队列
1、条件谓词
- 条件等待中存在一种重要的三元关系，包括加锁、wait方法和一个条件谓词
- 条件谓词是由类中各个状态变量构成的表达式（while）
- 在测试条件谓词之前必须先持有这个锁
- 锁对象与条件队列对象（即调用wait和notify等方法所在的对象）必须是同一个对象
- wait被唤醒后需要重新获得锁，并重新检查条件谓词
2、过早唤醒——一个条件队列与多个条件谓词相关时，wait方法返回不一定线程所等待的条件谓词就变为真了
1 void stateDependentMethod() throws InterruptedException
2 {
3 synchronized(lock) // 必须通过一个锁来保护条件谓词
4 {
5 while(!condietionPredicate())
6 lock.wait();
7 }
8 }
当使用条件等待时(如Object.wait(), 或Condition.await())：
- 通常都有一个条件谓词--包括一些对象状态的测试，线程在执行前必须首先通过这些测试
- 在调用wait之前测试条件谓词，并且从wait中返回时再次进行测试
- 在一个循环中调用wait
- 确保使用与条件队列相关的锁来保护构成条件谓词的各个状态变量
- 当调用wait, notify或notifyAll等方法时，一定要持有与条件队列相关的锁
- 在检查条件谓词之后以及开始执行相应的操作之前，不要释放锁。
3、丢失信号量——线程必须等待一个已经为真的条件，但在开始等待之前没有检查条件谓词
如果线程A通知了一个条件队列，而线程B随后在这个条件队列上等待，那么线程B将不会立即醒来，而是需要另一个通知来唤醒它（导致活跃性下降）
4、通知——确保在条件谓词变为真时通过某种方式发出通知挂起的线程
- 发出通知的线程持有锁调用notify和notifyAll，发出通知后应尽快释放锁
- 多个线程可以基于不同的条件谓词在同一个条件队列上等待，使用notify单一的通知很容易导致类似于信号丢失的问题
- 可以使用notify：同一条件谓词并且单进单出
使用notifyAll有时是低效的：唤醒的所有线程都需要竞争锁，并重新检验，而有时最终只有一个线程能执行
优化：条件通知
1 public synchronized void put(V v) throws InterruptedException
2 {
3 while(isFull())
4 wait();
5 boolean wasEmpty = isEmpty();
6 doPut(v);
7 if(wasEmpty)
8 notifyAll();
9 }
5、示例：阀门类
public class ThreadGate {
private boolean isOpen;
private int generation;
public synchronized void close() {
isOpen = false;
}
public synchronized void open() {
++generation;
isOpen = true;
notifyAll();
}
public synchronized void await() throws InterruptedException {
int arrivalGeneration = generation;
while (!isOpen && arrivalGeneration == generation)
wait();
}
}
可重新关闭的阀门
arrivalGeneration == generation为了保证在阀门打开时又立即关闭时，在打开时通知的线程都可以通过阀门
6、子类的安全问题
- 如果在实施子类化时违背了条件通知或单词通知的某个需求，那么在子类中可以增加合适的通知机制来代表基类
- 对于状态依赖的类，要么将其等待和通知等协议完全向子类公开（并且写入正式文档），要么完全阻止子类参与到等待和通知等过程中
- 完全禁止子类化
7、封装条件队列
8、入口协议和出口协议
- 入口协议：该操作的条件谓词
- 出口协议：检查被该操作修改的所有状态变量，并确认它们是否使某个其他的条件谓词变为真，如果是，则通知相关的条件队列
三、显示的Condition对象
内置条件队列的缺点：每个内置锁都只能有一个相关联的条件队列，而多个线程可能在同一条件队列上等待不同的条件谓词，调用notifyAll通知的线程非等待同意谓词
Condition <-> Lock，内置条件队列 <-> 内置锁
- Lock.newCondition()
- 在每个锁上可存在多个等待、条件等待可以是可中断的或不可中断的、基于时限的等待，以及公平的或非公平的队列操作
- Condition对象继承了相关的Lock对象的公平性
- 与wait、notify和notifyAll方法对应的分别是await、signal和signalAll
- 将多个条件谓词分开并放到多个等待线程集，Condition使其更容易满足单次通知的需求（signal比signalAll更高效）
- 锁、条件谓词和条件变量：件谓词中包含的变量必须由Lock来保护，并且在检查条件谓词以及调用await和signal时，必须持有Lock对象
1 public class ConditionBoundedBuffer<T> {
2 protected final Lock lock = new ReentrantLock();
3 private final Condition notFull = lock.newCondition();//条件：count < items.length
4 private final Condition notEmpty = lock.newCondition();//条件：count > 0
5 private final T[] items = (T[]) new Object[100];
6 private int tail, head, count;
7
8 public void put(T x) throws InterruptedException {
9 lock.lock();
10 try {
11 while (count == items.length)
12 notFull.await();//等到条件count < items.length满足
13 items[tail] = x;
14 if (++tail == items.length)
15 tail = 0;
16 ++count;
17 notEmpty.signal();//通知读取等待线程
18 } finally {
19 lock.unlock();
20 }
21 }
22
23 public T take() throws InterruptedException {
24 lock.lock();
25 try {
26 while (count == 0)
27 notEmpty.await();//等到条件count > 0满足
28 T x = items[head];
29 items[head] = null;
30 if (++head == items.length)
31 head = 0;
32 --count;
33 notFull.signal();//通知写入等待线程
34 return x;
35 } finally {
36 lock.unlock();
37 }
38 }
39 }
四、Synchronizer解析
在ReentrantLock和Semaphore这两个接口之间存在许多共同点。两个类都可以用作一个”阀门“，即每次只允许一定数量的线程通过，并当线程到达阀门时，可以通过（在调用lock或acquire时成功返回），也可以等待（在调用lock或acquire时阻塞），还可以取消（在调用tryLock或tryAcquire时返回”假“，表示在指定的时间内锁是不可用的或者无法获取许可）。而且，这两个接口都支持中断、不可中断的以及限时的获取操作，并且也都支持等待线程执行公平或非公平的队列操作。
原因：都实现了同一个基类AbstractQueuedSynchronizer（AQS）
public class SemaphoreOnLock {//基于Lock的Semaphore实现
private final Lock lock = new ReentrantLock();
//条件：permits > 0
private final Condition permitsAvailable = lock.newCondition();
private int permits;//许可数
SemaphoreOnLock(int initialPermits) {
lock.lock();
try {
permits = initialPermits;
} finally {
lock.unlock();
}
}
//颁发许可，条件是：permits > 0
public void acquire() throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (permits <= 0)//如果没有许可，则等待
permitsAvailable.await();
--permits;//用一个少一个
} finally {
lock.unlock();
}
}
//归还许可
public void release() {
lock.lock();
try {
++permits;
permitsAvailable.signal();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
使用Lock实现信号量
public class LockOnSemaphore {//基于Semaphore的Lock实现
//具有一个信号量的Semaphore就相当于Lock
private final Semaphore s = new Semaphore(1);
//获取锁
public void lock() throws InterruptedException {
s.acquire();
}
//释放锁
public void unLock() {
s.release();
}
}
使用信号量实现Lock
五、AbstractQueuedSynchronizer
最基本的操作：
- 获取操作是一种依赖状态的操作，并且通常会阻塞（同步器判断当前状态是否允许获得操作，更新同步器的状态）
- 释放并不是一个可阻塞的操作时，当执行“释放”操作时，所有在请求时被阻塞的线程都会开始执行
状态管理（一个整数状态）：
- 通过getState，setState以及compareAndSetState等protected类型方法来进行操作
- 这个整数在不同子类表示任意状态。例：剩余的许可数量，任务状态
- 子类可以添加额外状态
六、java.util.concurrent 同步器类中的AQS
1、ReentrantLock
ReentrantLock只支持独占方式的获取操作，因此它实现了tryAcquire、tryRelease和isHeldExclusively
ReentrantLock将同步状态用于保存锁获取操作的次数，或者正要释放锁的时候，才会修改这个变量
2、Semaphore与CountDownLatch
Semaphore将AQS的同步状态用于保存当前可用许可的数量；CountDownLatch使用AQS的方式与Semaphore很相似，在同步状态中保存的是当前的计数值
3、FutureTask
在FutureTask中，AQS同步状态被用来保存任务的状态
FutureTask还维护一些额外的状态变量，用来保存计算结果或者抛出的异常
4、ReentrantReadWriteLock
- 单个AQS子类将同时管理读取加锁和写入加锁
- ReentrantReadWriteLock使用了一个16位的状态来表示写入锁的计数，并且使用了另一个16位的状态来表示读取锁的计数
- 在读取锁上的操作将使用共享的获取方法与释放方法，在写入锁上的操作将使用独占的获取方法与释放方法
- AQS在内部维护了一个等待线程队列，其中记录了某个线程请求的是独占访问还是共享访问：写操作独占获取；读操作可使第一个写之前的读都获取