ConcurrentProgramming：wait()和notify()和synchronized

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关键词

• 同一个对象，使用synchronized同步信息
• wait和synchronized同时使用（不释放锁，死锁）
• wait和notify缺陷（只能作用于对象，无法判断队列空满状态）
• synchronized（对象监视器 monitor 的获取，执行期间任何线程都无法再获得同一个monitor对象）
  1. Block转为Running状态，过程涉及到操作系统用户模式和内核模式的切换，代价比较高
  2. Java1.6为 synchronized 做了优化，从偏向锁到轻量级锁再到重量级锁的过度

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一、wait()和notify()必须和synchronized一起使用?

在Java里面，wait()和notify()是Object的成员函数，是基础中的基础。为什么Java要把wait()和notify()放在如此基础的类里面，而不是作为像Thread一类的成员函数，或者其他类的成员函数呢？

先看为什么wait()和notify()必须和synchronized一起使用？请看下面的代码：

​ 等待什么？唤醒什么？什么时候等待和唤醒?

class MyClass1 {
    
  private Object obj1 = new Object();
 
  public void method1() {
    
    synchronized(obj1) {
    
      //...
      obj1.wait();
      //...
   }
 }
 
  public void method2() {
    
    synchronized(obj1) {
    
      //...
      obj1.notify();
      //...
   }
 }
}

或者下面的代码：

public class MyClass1 {
    
  public void synchronized method1() {
    
    //...
    this.wait();
    //...
 }
 
  public void synchronized method2() {
    
    //...
    this.notify();
    //...
 }
}

然后，开两个线程，线程A调用method1()，线程B调用method2()。

答案已经很明显

两个线程之间要通信，对于同一个对象来说，一个线程调用该对象的wait()，另一个线程调用该对象的notify()，该对象本身就需要同步（通过加锁的方式，进行协调，谁来操作）！所以，在调用wait()、notify()之前，要先通过synchronized关键字同步给对象，也就是给该对象加锁。

synchronized关键字可以加在任何对象的实例方法上面，任何对象都可能成为锁。因此，wait()和notify()只能放在Object里面了。

总结：

对于同一个对象来说，两个线程之间要通信，通过加锁的方式，进行协调，谁来操作

wait/notify 等方法也依赖于 monitor 对象，只有在同步的块或者方法中才能调用 wait/notify 等方法

二、为什么wait()的时候必须释放锁

当线程A进入synchronized(obj1)中之后，也就是对obj1上了锁。此时，调用wait()进入阻塞状态，一直不能退出synchronized代码块；那么，线程B永远无法进入synchronized(obj1)同步块里，永远没有机会调用notify()，发生死锁。

这就涉及一个关键的问题：在wait()的内部，会先释放锁obj1，然后进入阻塞状态，之后，它被另外一个线程用notify()唤醒，重新获取锁！其次，wait()调用完成后，执行后面的业务逻辑代码，然后退出synchronized同步块，再次释放锁。

wait()内部的伪代码如下：

wait() {
    
  // 释放锁
  // 阻塞，等待被其他线程notify
  // 重新获取锁
}

如此则可以避免死锁。

三、wait()与notify()的问题

以上述的生产者-消费者模型来看，其伪代码大致如下：

public void enqueue() {
    
  synchronized(queue) {
    
    while (queue.full()) {
    
      queue.wait();
    }
    //... 数据入列
    queue.notify();  // 通知消费者，队列中有数据了。
 }
}
public void dequeue() {
    
  synchronized(queue) {
    
    while (queue.empty()) {
    
      queue.wait();
   }
    // 数据出队列
    queue.notify(); // 通知生产者，队列中有空间了，可以继续放数据了。
 }
}     
      

多线程环境下，生产者在通知消费者的同时，也通知了其他的生产者；消费者在通知生产者的同时，也通知了其他消费者。原因在于wait()和notify()所作用的对象和synchronized所作用的对象是同一个，只能有一个对象，无法区分队列空和列队满两个条件。这正是Condition要解决的问题。

补充：在当前线程中调用park()，该线程就会被阻塞；在另外一个线程中，调用unpark(Thread thread)，传入一个被阻塞的线程，就可以唤醒阻塞在park()地方的线程。

• unpark(Thread thread)，它实现了一个线程对另外一个线程的“精准唤醒”。

• notify也只是唤醒某一个线程，但无法指定具体唤醒哪个线程。

四、 synchronized 关键字的底层原理

同步语句块

从上⾯我们可以看出：

• synchronized 同步语句块的实现使⽤的是 monitorenter 和 monitorexit 指令
• monitorenter 指令指向同步代码块的开始位置， monitorexit 指令则指明同步代码块的结束位置

当执⾏ monitorenter 指令时，线程试图获取锁也就是获取 对象监视器 monitor 的持有权。

另外， wait/notify 等方法也依赖于 monitor 对象，这就是为什么只有在同步的块或者方法中才能调用 wait/notify 等方法，否则会抛出 java.lang.IllegalMonitorStateException 的异常的原因。

在执行 monitorenter 时，会尝试获取对象的锁，如果锁的计数器为 0 则表示锁可以被获取，获取后将锁计数器设为 1 也就是加 1。

在执行 monitorexit 指令后，将锁计数器设为 0，表明锁被释放。如果获取对象锁失败，那当前线程就要阻塞等待，直到锁被另外⼀个线程释放为止。

同步方法

synchronized 修饰的方法并没有 monitorenter 指令和 monitorexit 指令，取得代之的确实是ACC_SYNCHRONIZED 标识，该标识指明了该方法是⼀个同步方法。JVM 通过该ACC_SYNCHRONIZED 访问标志来辨别⼀个方法是否声明为同步方法，从而执行相应的同步调用。

总结

synchronized 同步语句块的实现使用的是 monitorenter 和 monitorexit 指令，其中monitorenter 指令指向同步代码块的开始位置， monitorexit 指令则指明同步代码块的结束位置。

synchronized 修饰的方法并没有 monitorenter 指令和 monitorexit 指令，取得代之的确实是ACC_SYNCHRONIZED 标识，该标识指明了该方法是⼀个同步方法。

不过两者的本质都是对对象监视器 monitor 的获取。

在Java1.6之后，sychronized在实现上分为了偏向锁、轻量级锁和重量级锁，其中偏向锁在 java1.6 是默认开启的，轻量级锁在多线程竞争的情况下会膨胀成重量级锁，有关锁的数据都保存在对象头中。

• 偏向锁：在只有一个线程访问同步块时使用，通过CAS操作获取锁
• 轻量级锁：当存在多个线程交替访问同步块，偏向锁就会升级为轻量级锁。当线程获取轻量级锁失败，说明存在着竞争，轻量级锁会膨胀成重量级锁，当前线程会通过自旋（通过CAS操作不断获取锁），后面的其他获取锁的线程则直接进入阻塞状态。
• 重量级锁：锁获取失败则线程直接阻塞，因此会有线程上下文的切换，性能最差。

锁优化-适应性自旋（Adaptive Spinning）

从轻量级锁获取的流程中我们知道，当线程在获取轻量级锁的过程中执行CAS操作失败时，是要通过自旋来获取重量级锁的。问题在于，自旋是需要消耗CPU的，如果一直获取不到锁的话，那该线程就一直处在自旋状态，白白浪费CPU资源。

其中解决这个问题最简单的办法就是指定自旋的次数，例如让其循环10次，如果还没获取到锁就进入阻塞状态。但是JDK采用了更聪明的方式——适应性自旋，简单来说就是线程如果自旋成功了，则下次自旋的次数会更多，如果自旋失败了，则自旋的次数就会减少。

锁优化-锁粗化（Lock Coarsening）

锁粗化的概念应该比较好理解，就是将多次连接在一起的加锁、解锁操作合并为一次，将多个连续的锁扩展成一个范围更大的锁。举个例子：

public class StringBufferTest {
    

	StringBuffer stringBuffer=newStringBuffer();
	
	public void append(){
    
		stringBuffer.append("a");
		stringBuffer.append("b");
		stringBuffer.append("c");
  }
}

这里每次调用stringBuffer.append方法都需要加锁和解锁，如果虚拟机检测到有一系列连串的对同一个对象加锁和解锁操作，就会将其合并成一次范围更大的加锁和解锁操作，即在第一次append方法时进行加锁，最后一次append方法结束后进行解锁。

锁优化-锁消除（Lock Elimination）

锁消除即删除不必要的加锁操作。根据代码逃逸技术，如果判断到一段代码中，堆上的数据不会逃逸出当前线程，那么可以认为这段代码是线程安全的，不必要加锁。看下面这段程序：

publicclassSynchronizedTest02 {
    

	public static void main(String[] args) {
    
		SynchronizedTest02 test02=newSynchronizedTest02();        
		for (inti=0; i<10000; i++) {
    
			i++;         
		}
		longstart=System.currentTimeMillis();
		for (inti=0; i<100000000; i++) {
    
			test02.append("abc", "def");         
		}
		System.out.println("Time="+ (System.currentTimeMillis() -start));     
	}

	public void append(Stringstr1, Stringstr2) {
    
		StringBuffer sb=newStringBuffer();
		sb.append(str1).append(str2);     
	}
}

虽然StringBuffer的append是一个同步方法，但是这段程序中的StringBuffer属于一个局部变量，并且不会从该方法中逃逸出去，所以其实这过程是线程安全的，可以将锁消除。

缺点：

• Sychronized会让没有得到锁的资源进入Block状态，争夺到资源之后又转为Running状态，这个过程涉及到操作系统用户模式和内核模式的切换，代价比较高。
• Java1.6为 synchronized 做了优化，增加了从偏向锁到轻量级锁再到重量级锁的过度，但是在最终转变为重量级锁之后，性能仍然较低。

五、锁的本质

如果一份资源需要多个线程同时访问，需要给该资源加锁。加锁之后，可以保证同一时间只能有一个线程访问该资源。资源可以是一个变量、一个对象或一个文件等。
锁是一个“对象”，作用如下：

1. 这个对象内部得有一个标志位（state变量），记录自己有没有被某个线程占用。最简单的情况是这个state有0、1两个取值，0表示没有线程占用这个锁，1表示有某个线程占用了这个锁。
2. 如果这个对象被某个线程占用，记录这个线程的thread ID。
3. 这个对象维护一个thread id list，记录其他所有阻塞的、等待获取拿这个锁的线程。在当前线程释放锁之后从这个thread id list里面取一个线程唤醒。

要访问的共享资源本身也是一个对象，例如前面的对象myClass，这两个对象可以合成一个对象。代码就变成synchronized(this) {…}，要访问的共享资源是对象a，锁加在对象a上。当然，也可以另外新建一个对象，代码变成synchronized(obj1) {…}。这个时候，访问的共享资源是对象a，而锁加在新建的对象obj1上。

资源和锁合二为一，使得在Java里面，synchronized关键字可以加在任何对象的成员上面。这意味着，这个对象既是共享资源，同时也具备“锁”的功能！

锁的 面试题

多个线程竞争一个资源，当某个线程拿到资源并上锁后，当释放资源时，其他线程是怎么知道该资源是可以竞争的？非自旋锁；执行unlock操作后是怎么通知的？

解决

如果是synchronized的，在对象头上，每个资源都有一个monitor变量，当 Monitor 对象被某个线程持有后，就会处于锁定状态，Monitor 也有两个队列。用来存放进入及等待获取锁的线程。

如果是aqs，aqs中有一个volatile修是的state变量，当前线程拿到锁的时候，state是1，其他线程在同步队列中。其他线程判断state状态状态进行资源竞争

看unparkSuccessor方法，unparkSuccessor(…)方法唤醒队列中的后继者：

六、为什么调用 start() 方法时会执行 run() 方法，为什么我们不能直接调用 run() 方法？

new ⼀个 Thread，线程进⼊了新建状态。调⽤ start() ⽅法，会启动⼀个线程并使线程进⼊了就绪状态，当分配到时间⽚后就可以开始运⾏了。 start() 会执行线程的相应准备⼯作，然后自动执⾏ run() ⽅法的内容，这是真正的多线程⼯作。 但是，直接执行 run() ⽅法，会把 run()方法当成一个 main 线程下的普通方法去执行，并不会在某个线程中执⾏它，所以这并不是多线程⼯作。

总结： 调⽤ start() 方法 可启动线程并使线程进入就绪状态，直接执行 run() 方法的话不会以多线程的方式执行。

七、synchronized 关键字和 volatile 关键字的区别？

synchronized 关键字和 volatile 关键字是两个互补的存在，⽽不是对⽴的存在！

• volatile 关键字是线程同步的轻量级实现，所以 volatile 性能肯定⽐ synchronized 关键字要好。但是 volatile 关键字只能⽤于变量⽽ synchronized 关键字可以修饰⽅法以及代码块。
• volatile 关键字能保证数据的可⻅性，但不能保证数据的原⼦性。 synchronized 关键字两者都能保证。
• volatile 关键字主要⽤于解决变量在多个线程之间的可⻅性，⽽ synchronized 关键字解决的是多个线程之间访问资源的同步性。