标签：初学者 tor arraylist 唤醒 any 队列实现 移除 这一 boolean
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。
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。
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：
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。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。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
}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：
wait()方法才能阻塞在对象监视器上。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。IllegalMonitorStateException异常。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。
我们经常看到的资料中提到synchronized关键字的用法：
Class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)：
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。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。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
}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：
ObjectMonitor中的_EntryList属性)：存放等待锁并且处于阻塞状态的线程。ObjectMonitor中的_WaitSet属性)：存放处于等待阻塞状态的线程。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。通过Object提供的阻塞和唤醒机制举几个简单的使用例子。
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...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。
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...鉴于笔者C语言学得不好，这里就无法深入分析JVM源码的实现，只能结合一些现有的资料和自己的理解重新梳理一下Object提供的阻塞和唤醒机制这些知识点。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。
参考资料：
Github Page：http://www.throwable.club/2019/04/30/java-object-wait-notify/
Coding Page：http://throwable.coding.me/2019/04/30/java-object-wait-notify/
(本文完 c-7-d e-a-20190430)
标签：初学者 tor arraylist 唤醒 any 队列实现 移除 这一 boolean
原文地址：https://www.cnblogs.com/throwable/p/10795445.html
