多线程之block

2023-10-13 23:04:04

Block和IO阻塞

1、简单介绍

BLOCKED 状态跟 I/O 的阻塞是不同的，BLOCKED不是一般意义上的阻塞，而是特指被 synchronized 块阻塞，即是跟线程同步有关的一个状态。

2、BLOCK状态定义

一个正在阻塞等待一个监视器锁的线程处于这一状态。(A thread that is blocked waiting for a monitor lock is in this state.)

java类中的javadoc定义如下所示：

/**
         * Thread state for a thread blocked waiting for a monitor lock.
         * A thread in the blocked state is waiting for a monitor lock
         * to enter a synchronized block/method or
         * reenter a synchronized block/method after calling
         * {@link Object#wait() Object.wait}.
         */
        BLOCKED,

进入（enter）同步块时阻塞

这句话很长，可以拆成两个简单句来理解。

1、A thread in the blocked state is waiting for a monitor lock to enter a synchronized block/method。

一个处于 blocked 状态的线程正在等待一个监视器锁以进入一个同步的块或方法。

2、A thread in the blocked state is waiting for a monitor lock to reenter a synchronized block/method after calling Object.wait。

一个处于 blocked 状态的线程正在等待一个监视器锁，在其调用 Object.wait 方法之后，想要再次进入一个同步的块或方法。

先说第一句，这个比较好理解。监视器锁用于同步访问，以达到多线程间的互斥。所以一旦一个线程获取锁进入同步块，在其出来之前，如果其它线程想进入，就会因为获取不到锁而阻塞在同步块之外，这时的状态就是 BLOCKED。

注：这一状态的进入及解除都不受我们控制，当锁可用时，线程即从阻塞状态中恢复。

我们可以用一些代码来演示这一过程：

@Test
public void testBlocked() throws Exception {
    class Counter {
        int counter;
        public synchronized void increase() {
            counter++;
            try {
                Thread.sleep(30000);
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    }
    Counter c = new Counter();
    Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
        public void run() {
            c.increase();
        }
    }, "t1线程");
    t1.start();
    
    Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
        public void run() {
            c.increase();
        }
    }, "t2线程");
    t2.start();
    
    Thread.sleep(100); // 确保 t2 run已经得到执行
    assertThat(t2.getState()).isEqualTo(Thread.State.BLOCKED);
}

以上定义了一个访问计数器 counter，有一个同步的 increase 方法。t1 线程先进入，然后在同步块里面睡觉，导致锁迟迟无法释放，t2 尝试执行同步方法时就因无法获取锁而被阻塞了。

自己动手在VisualVM 监控显示了 t2 线程的状态：

多线程之block

从上面的红色状态可以看到t2线程是在监视中，而t1线程正在休眠中。在23:46:20到26:46:35之间，t1线程处于休眠阶段；

t1线程在23:46:35之后，处于空白阶段，也就是运行结束；而t2开始了睡眠。

图上的“监视（monitor）”状态即为 BLOCKED 状态。可以看到在t1睡眠期间t2处于 BLOCKED 状态。

BLOCKED 状态可以视作是一种特殊的 WAITING，特指等待锁。

wait 之后重进入（reenter）同步块时阻塞

现在再次来看第二句：

  1. A thread in the blocked state is waiting for a monitor lock to reenter a synchronized block/method after calling Object.wait。
一个处于 blocked 状态的线程正在等待一个监视器锁，在其调用 Object.wait 方法之后，以再次进入一个同步的块或方法。

这句话有点绕，也不好翻译成一句简洁的中文。如果没有对 wait 的相关背景有较好的理解，则不容易理解这句话。我们在此把它稍微展开讲一下。既然是 reenter，说明有两次 enter，这个过程是这样的：

1、调用 wait 方法必须在同步块中，即是要先获取锁并进入同步块，这是第一次 enter。
2、而调用 wait 之后则会释放该锁，并进入此锁的等待队列（wait set）中。
3、当收到其它线程的 notify 或 notifyAll 通知之后，等待线程并不能立即恢复执行，因为停止的地方是在同步块内，而锁已经释放了，所以它要重新获取锁才能再次进入（reenter）同步块，然后从上次 wait 的地方恢复执行。这是第二次 enter，所以叫 reenter。
4、但锁并不会优先给它，该线程还是要与其它线程去竞争锁，这一过程跟 enter 的过程其实是一样的，因此也可能因为锁已经被其它线程据有而导致 BLOCKED。

这一过程就是所谓的 reenter a synchronized block/method after calling Object.wait。

简要介绍一下代码场景：

  1. 有一个账户对象，有存钱（deposit）和取钱（withdraw）方法，初始金额100元。
  2. 取钱线程先启动，并进入（enter）同步块，试图取200元，发现钱不够，调用 wait，锁释放，线程挂起（WAITING 状态）。
  3. 10秒后存钱线程启动，存入钱并通知（notify）取钱线程，但之后继续在同步块中睡眠，导致锁没有释放。
  4. 取钱线程收到通知后，退出 WAITING 状态，但已经不持有锁，当试图重新进入（reenter）同步块以恢复执行时，因锁尚未被存钱线程释放，于是被阻塞（BLOCKED 状态）。

也用一段代码来演示这一过程：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        class Account {
            int amount = 100; // 账户初始100元
            public synchronized void deposit(int cash) { // 存钱
                amount += cash;
                notify();
                try {
                    Thread.sleep(30000); // 通知后却暂时不退出
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
            public synchronized void withdraw(int cash) { // 取钱
                while (cash > amount) {
                    try {
                        wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                }
                amount -= cash;
            }
        }
        Account account = new Account();

        Thread withdrawThread = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                account.withdraw(200);
            }
        }, "取钱线程");
        withdrawThread.start();

        try {
            Thread.sleep(100); // 确保取钱线程已经得到执行
            log.info("二者的线程状态是：{}",withdrawThread.getState()==Thread.State.WAITING);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        Thread depositThread = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                account.deposit(100);
            }
        }, "存钱线程");
        Thread.sleep(10000); // 让取钱线程等待一段时间
        depositThread.start();

        Thread.sleep(300); // 确保取钱线程已经被存钱线程所通知到
        log.info("二者的线程状态是：{}",withdrawThread.getState()==Thread.State.WAITING);
    }

运行上面的代码，然后查看图片：

多线程之block

从上图上看，取钱线程和存钱线程

开始是取钱线程先执行，然后进入到wait方法中去，陷入了waiting状态，然后存钱线程开始执行后，通知取钱线程后，陷入了休眠状态，但是未释放锁，而取钱线程从wait状态中解脱，进入到block状态，取钱线程一直在等待得到锁的释放，得到锁后马上来进行执行。

所以：取钱线程先是 WAITING，在收到通知因无法获取锁而阻塞（BLOCKED）。

如果有线程长时间处于 BLOCKED 状态，要考虑是否发生了死锁（deadlock）的状况。

BLOCKED 状态可以视作为一种特殊的 waiting，是传统 waiting 状态的一个细分：

多线程之block

由于还没有讲到 WAITING 状态，而这里有涉及到了 wait 方法，所以上面对 wait 也稍微做了些分析，在下一章节，会更加详细的分析 WAITING 和 TIMED_WAITING 这两个状态。

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