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解析JVM线程同步机制

發(fā)布時(shí)間：2024/4/17 编程问答 48 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了解析JVM线程同步机制小編覺(jué)得挺不錯(cuò)的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個(gè)參考.

http://blog.csdn.net/thl789/article/details/566494

對(duì)多線程的支持一般是在OS級(jí)的，而Java將其做在了語(yǔ)言級(jí)別，這其中最吸引人的莫過(guò)于Java對(duì)線程同步（互斥與協(xié)作）的支持。本文分析了JVM（Java Virtual Machine）內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的監(jiān)視器同步機(jī)制，并結(jié)合經(jīng)典的生產(chǎn)者消費(fèi)者同步問(wèn)題，闡述Java語(yǔ)言級(jí)別上對(duì)此機(jī)制的支持。

關(guān)鍵詞：同步，互斥，協(xié)作，監(jiān)視器，鎖
Keyword: Synchronization, Mutual Exclusion (Mutex), Cooperation, Monitor, Lock

目 ?錄

摘要... 1
目? 錄... 1
知識(shí)準(zhǔn)備... 2
一、線程同步：互斥和協(xié)作... 2
二、解決同步的方案... 2
三、線程同步模型——監(jiān)視器（Monitor）機(jī)制... 3
? 3.1 監(jiān)視器模型... 3
? 3.2 監(jiān)視器實(shí)現(xiàn)互斥... 4
? 3.3 監(jiān)視器實(shí)現(xiàn)協(xié)作... 5
四、JVM線程同步的實(shí)現(xiàn)... 6
? 4.1 JVM線程模型... 6
? 4.2 對(duì)象鎖... 6
? 4.3 Java語(yǔ)言對(duì)線程同步的支持... 7
??? 4.3.1 同步方法與同步語(yǔ)句... 7
??? 4.3.2 協(xié)作——wait & notify/notifyAll7
五、利用JVM線程同步解決生產(chǎn)者消費(fèi)者問(wèn)題... 8
? 5.1 生產(chǎn)者消費(fèi)者問(wèn)題相關(guān)類(lèi)層次... 8
? 5.2 生產(chǎn)者線程——threadSynch.ProducerConsumer.Producer9
? 5.3 消費(fèi)者線程——threadSynch.ProducerConsumer.Consumer10
? 5.4 主程序——threadSynch.ProducerConsumer. ProducerConsumer11
? 5.5 程序運(yùn)行時(shí)的一個(gè)快照... 11
六、總結(jié)... 12
參考資料及進(jìn)一步閱讀... 13
關(guān)于作者... 13

知識(shí)準(zhǔn)備

閱讀本文前，你應(yīng)該具有操作系統(tǒng)的基本知識(shí)，知道Java的基本運(yùn)行模式，最好還有過(guò)多線程的編程經(jīng)驗(yàn)。這些知識(shí)準(zhǔn)備，可以閱讀本文后面所附的參考資料。

一、線程同步：互斥和協(xié)作

早期，順序程序設(shè)計(jì)（Sequential Programming）的模式一般是串行的執(zhí)行“輸入——處理——輸出”，執(zhí)行過(guò)程中可能還有用戶的交互或者執(zhí)行其它I/O操作，而這一切直到最后的輸出，系統(tǒng)最珍貴的CPU資源都由這個(gè)程序?qū)?yīng)的進(jìn)程（Process）占有。為了提高CPU的利用率和任務(wù)的并行化，引入了并發(fā)程序設(shè)計(jì)（Concurrent Programming），也就相應(yīng)的在OS內(nèi)部有了并發(fā)進(jìn)程的概念。在支持線程（Thread）的系統(tǒng)中，進(jìn)程的實(shí)現(xiàn)和思考方法也適用，只是在OS調(diào)度的最小單元和資源的分配單元上有所區(qū)別。但是也要看對(duì)線程的支持實(shí)現(xiàn)在哪一級(jí)上，所以也就有了三種線程實(shí)現(xiàn)方式：內(nèi)核級(jí)線程、用戶級(jí)線程和混和式線程。（關(guān)于這方面的知識(shí)，可閱讀參考文獻(xiàn)中的1或2）

支持多線程的系統(tǒng)中，并發(fā)線程在運(yùn)行過(guò)程時(shí)，會(huì)有同步（Synchronization）的需求，同步包括了互斥（Mutual Exclusion，簡(jiǎn)記為Mutex）與協(xié)作（Cooperation）兩個(gè)方面。多個(gè)線程交叉訪問(wèn)臨界資源的時(shí)候，如果不把臨界區(qū)進(jìn)行互斥管理，執(zhí)行的結(jié)果可能就不是你預(yù)想的（這種沒(méi)有對(duì)臨界資源進(jìn)行互斥訪問(wèn)而出現(xiàn)的情況，你幾乎可以在任何講述并發(fā)編程的書(shū)中找到例子，這里不再贅述），這就需要將多個(gè)線程對(duì)臨界區(qū)的執(zhí)行串行化。兩個(gè)或多個(gè)線程運(yùn)行中，可能要協(xié)作完成一整件事，但是它們是相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行的，相互之間并不影響，所以需要某種機(jī)制使某個(gè)線程知道它下一步執(zhí)行所依賴的條件是不是滿足，而這個(gè)條件是否滿足是要看另外一個(gè)線程的執(zhí)行情況的，也就是通過(guò)某種協(xié)作機(jī)制使線程在單獨(dú)執(zhí)行并行化的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)多個(gè)線程的協(xié)作串行執(zhí)行。

二、解決同步的方案

解決線程同步問(wèn)題，早期的科學(xué)家提出了一些對(duì)于臨界區(qū)管理的方法，后來(lái)在操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了信號(hào)量機(jī)制來(lái)解決經(jīng)典的同步問(wèn)題，在IEEE的POSIX（Portable Operating Systems Interface）標(biāo)準(zhǔn)中就進(jìn)一步把線程進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，簡(jiǎn)稱pThread標(biāo)準(zhǔn)，這其中也標(biāo)準(zhǔn)化了線程同步機(jī)制——互斥量等，目前很多類(lèi)UNIX（UNIX-like）操作系統(tǒng)都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了pThread。

實(shí)現(xiàn)臨界區(qū)的管理可以采用軟件方法，也可以用硬件方法。T.Dekker和G.L.Perterson分別提出了Dekker算法和Perterson算法，用軟件方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)臨界區(qū)管理。硬件方法可以采用關(guān)中斷來(lái)解決，但是這種方式使系統(tǒng)效率大大的降低，甚至如果關(guān)中斷處理不當(dāng)，還會(huì)使系統(tǒng)無(wú)法正常調(diào)度，而且也不適用于多處理器情況。現(xiàn)在幾乎所有的操作系統(tǒng)都實(shí)現(xiàn)了信號(hào)量（Semaphore）機(jī)制。信號(hào)量（Semaphore）通過(guò)一個(gè)記錄當(dāng)前使用情況的標(biāo)記value，等待該信號(hào)量的線程隊(duì)列queue和相應(yīng)的PV操作原語(yǔ)實(shí)現(xiàn)同步。P操作相當(dāng)于線程要使用該信號(hào)量所標(biāo)志的資源，通過(guò)P操作來(lái)獲得，如果當(dāng)前不可用，該線程就要被掛起；V操作相當(dāng)于線程使用完該信號(hào)量所標(biāo)志的資源，通過(guò)該操作來(lái)釋放它，如果有線程在等待這個(gè)資源并且資源當(dāng)前可用，就采取某種策略選擇一個(gè)等待的線程，讓它擁有該資源，并繼續(xù)執(zhí)行。根據(jù)value的初始值，信號(hào)量可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)線程的互斥與協(xié)作。POSIX pThread的互斥量（Mutex）其實(shí)是信號(hào)量的一種特殊形式，但是使用互斥量要比用通用的信號(hào)量的同步機(jī)制來(lái)得容易。

Java利用JVM對(duì)線程執(zhí)行期的完全控制，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)視器（Monitor）機(jī)制的線程同步，下面章節(jié)先介紹監(jiān)視器機(jī)制，然后分析監(jiān)視器機(jī)制在JVM中的實(shí)現(xiàn)。

三、線程同步模型——監(jiān)視器（Monitor）機(jī)制

監(jiān)視器支持上文所述的兩種線程同步：互斥與協(xié)作，而JVM通過(guò)對(duì)象鎖實(shí)現(xiàn)了監(jiān)視器機(jī)制。本節(jié)就來(lái)闡述監(jiān)視器模型，并分析它如何實(shí)現(xiàn)線程的互斥與協(xié)作。

3.1 監(jiān)視器模型

圖一、監(jiān)視器模型

圖一是監(jiān)視器模型，監(jiān)視器包括了三個(gè)部分，入口區(qū)、擁有區(qū)和等待區(qū)，入口區(qū)和等待區(qū)內(nèi)可能有多個(gè)線程，但是任何時(shí)刻最多只有一個(gè)線程擁有該監(jiān)視器。

線程對(duì)監(jiān)視器的操作原語(yǔ)如下：
－“進(jìn)入”監(jiān)視器指線程進(jìn)入入口區(qū)，準(zhǔn)備獲取監(jiān)視器，此時(shí)如果沒(méi)有別的線程擁有該監(jiān)視器，則這個(gè)線程擁有此監(jiān)視器，否則它要在入口區(qū)等待；
－“獲取”監(jiān)視器指在入口區(qū)和等待區(qū)的線程按照某種策略機(jī)制被選擇可擁有該監(jiān)視器時(shí)的操作；
－“擁有”監(jiān)視器的線程在它擁有該監(jiān)視器的時(shí)候排他地占有它，從而阻止其它線程的進(jìn)入；
－“釋放”監(jiān)視器擁有監(jiān)視器的線程執(zhí)行完監(jiān)視器范圍內(nèi)的代碼或異常退出之后，要釋放掉它所擁有的此監(jiān)視器。

監(jiān)視器實(shí)現(xiàn)的是對(duì)臨界區(qū)的管理，對(duì)臨界區(qū)調(diào)度原則有16字要求——無(wú)空等待，有空讓進(jìn)，擇一而入，算法可行。展開(kāi)來(lái)說(shuō)就是：

－一次至多一個(gè)線程能夠在臨界區(qū)內(nèi)；
－不能讓一個(gè)線程無(wú)限地留在臨界區(qū)；
－不能強(qiáng)迫一個(gè)線程無(wú)限地等待進(jìn)入臨界區(qū)；
－不能因所選的調(diào)度策略而造成線程的饑餓（Starving），甚至死鎖（Dead Lock）。

下面以經(jīng)典的“生產(chǎn)者－消費(fèi)者問(wèn)題”為例，來(lái)分析利用監(jiān)視器如何實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者進(jìn)程與消費(fèi)者進(jìn)程之間的互斥與協(xié)作。簡(jiǎn)化后的該問(wèn)題的描述如下：生產(chǎn)者進(jìn)程和消費(fèi)者進(jìn)程都對(duì)同一個(gè)緩沖區(qū)操作，生產(chǎn)者生產(chǎn)產(chǎn)品放到緩沖區(qū)，消費(fèi)者消費(fèi)緩沖區(qū)內(nèi)的產(chǎn)品；如果緩沖區(qū)非空，則消費(fèi)者讀取緩沖區(qū)的產(chǎn)品，消費(fèi)掉產(chǎn)品的同時(shí)將緩沖區(qū)清空，否則消費(fèi)者等待；如果緩沖區(qū)為空，則生產(chǎn)者生產(chǎn)產(chǎn)品放到緩沖區(qū)，否則生產(chǎn)者等待。

3.2 監(jiān)視器實(shí)現(xiàn)互斥

利用監(jiān)視器實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的互斥理解起來(lái)非常簡(jiǎn)單。生產(chǎn)者消費(fèi)者問(wèn)題中的緩沖區(qū)是臨界資源，需要互斥訪問(wèn)，可以用一個(gè)監(jiān)視器來(lái)保護(hù)。生產(chǎn)者或消費(fèi)者要訪問(wèn)該共享的緩沖區(qū)首先必須擁有這個(gè)監(jiān)視器，在監(jiān)視器被別的線程占有時(shí)，該訪問(wèn)線程必須在入口區(qū)或等待區(qū)等待。生產(chǎn)者和消費(fèi)者對(duì)緩沖區(qū)的互斥訪問(wèn)關(guān)系如圖二所示。

圖二、生產(chǎn)者－消費(fèi)者之間的互斥

生產(chǎn)者與消費(fèi)者各自獨(dú)立地執(zhí)行，只有當(dāng)它們需要訪問(wèn)緩沖區(qū)（存放生產(chǎn)的產(chǎn)品或消費(fèi)產(chǎn)品）的時(shí)候，才需要獲得與該緩沖區(qū)關(guān)聯(lián)的監(jiān)視器，如果當(dāng)前該監(jiān)視器不能獲得，它們就在監(jiān)視器的入口區(qū)等待。它們?cè)陔x開(kāi)臨界區(qū)的時(shí)候，釋放監(jiān)視器，以允許其它競(jìng)爭(zhēng)該監(jiān)視器的線程進(jìn)入。如果一個(gè)線程已經(jīng)獲得了監(jiān)視器，但是緩沖區(qū)的內(nèi)容卻還不滿足自己的需要，它就必須等待并釋放掉監(jiān)視器，從而允許其它線程進(jìn)入，關(guān)于線程協(xié)作的問(wèn)題參考下面的小節(jié)。

3.3 監(jiān)視器實(shí)現(xiàn)協(xié)作

?????? 上面小節(jié)主要說(shuō)明了生產(chǎn)者和消費(fèi)者對(duì)緩沖區(qū)的互斥訪問(wèn)關(guān)系，但是沒(méi)有詳細(xì)談到“wait & Release the Monitor”這個(gè)活動(dòng)，這個(gè)主要牽涉了監(jiān)視器實(shí)現(xiàn)的線程間的協(xié)作關(guān)系。

生產(chǎn)者和消費(fèi)者通過(guò)監(jiān)視器協(xié)作完成生產(chǎn)者消費(fèi)者問(wèn)題的活動(dòng)圖如圖三所示。

圖三、生產(chǎn)者－消費(fèi)者之間的協(xié)作

重點(diǎn)關(guān)注圖中的綠色部分，擁有監(jiān)視器的線程檢測(cè)到當(dāng)前緩沖區(qū)不符合自己要求的情況下“wait & Release the Monitor”，這樣這個(gè)線程就釋放掉了該監(jiān)視器，并且進(jìn)入到等待區(qū)。假設(shè)這個(gè)線程是生產(chǎn)者Thread_p，此時(shí)無(wú)論消費(fèi)者線程Thread_c處于入口區(qū)還是等待區(qū)，Thread_c都可能獲得該監(jiān)視器并繼續(xù)執(zhí)行。Thread_c消費(fèi)完產(chǎn)品并設(shè)置好緩沖區(qū)之后，它通知(notify/notifyAll)等待區(qū)的線程，正在等待（wait）的線程要求的條件滿足后可以競(jìng)爭(zhēng)獲取監(jiān)視器，并繼續(xù)執(zhí)行。

注意，等待線程并不是收到notify消息立即就能獲取監(jiān)視器，還要等發(fā)送notify消息的線程離開(kāi)臨界區(qū)（此時(shí)，已經(jīng)釋放監(jiān)視器）時(shí)它才能競(jìng)爭(zhēng)獲取。這里的“競(jìng)爭(zhēng)獲取”指的是處于入口區(qū)和等待區(qū)的線程按照某種調(diào)度策略被選擇進(jìn)入監(jiān)視器，這種策略可以是用先入先出（FIFO）隊(duì)列實(shí)現(xiàn)的先來(lái)先服務(wù)管理，但采用哪種實(shí)現(xiàn)要看虛擬機(jī)的具體實(shí)現(xiàn)。因?yàn)檫@種等待線程的競(jìng)爭(zhēng)獲取監(jiān)視器現(xiàn)象的存在，等待線程在擁有監(jiān)視器之后要判斷當(dāng)前條件是否真的滿足需要——狀態(tài)有可能被先于它獲得監(jiān)視器的其它線程改變。

四、JVM線程同步的實(shí)現(xiàn)

JVM通過(guò)對(duì)象鎖實(shí)現(xiàn)監(jiān)視器的模型的線程同步機(jī)制。其實(shí)現(xiàn)是通過(guò)在JVM內(nèi)部為每個(gè)對(duì)象和類(lèi)都關(guān)聯(lián)一個(gè)鎖；語(yǔ)言層次上用同步方法或同步語(yǔ)句標(biāo)識(shí)臨界區(qū)，每個(gè)對(duì)象都實(shí)現(xiàn)等待/通知方法等方式來(lái)通過(guò)實(shí)現(xiàn)線程同步的。

4.1 JVM線程模型

Java中的線程是在用戶級(jí)實(shí)現(xiàn)的，即，在操作系統(tǒng)看來(lái)JVM是一個(gè)進(jìn)程，而Java線程是JVM內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的，對(duì)OS內(nèi)核來(lái)說(shuō)是透明的。這種實(shí)現(xiàn)可以利用JVM對(duì)Java線程執(zhí)行期的完全控制在JVM和Java語(yǔ)言上實(shí)現(xiàn)線程的同步。其實(shí)現(xiàn)也就是圖四中的2）用戶級(jí)線程（User Level Thread/ULT）。

圖四中，用戶級(jí)線程（User Level Threads/ULT），對(duì)OS內(nèi)核來(lái)說(shuō)是透明的；內(nèi)核級(jí)線程（Kernel Level Threads/KLT）在用戶空間和內(nèi)核空間有相應(yīng)線程的對(duì)應(yīng)關(guān)系。JVM的一個(gè)實(shí)例，在內(nèi)核空間只有一個(gè)OS進(jìn)程與其對(duì)應(yīng)，而Java內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的線程對(duì)OS來(lái)說(shuō)都是不可見(jiàn)的，是實(shí)現(xiàn)在JVM內(nèi)部的用戶級(jí)線程。

4.2 對(duì)象鎖

對(duì)JVM內(nèi)部非私有數(shù)據(jù)的保護(hù)，JVM采用的是為每一個(gè)這樣的數(shù)據(jù)對(duì)象都關(guān)聯(lián)一個(gè)對(duì)象鎖，這些數(shù)據(jù)主要有堆中的對(duì)象實(shí)例和方法區(qū)中的類(lèi)變量。這也就是為每一個(gè)對(duì)象關(guān)聯(lián)一個(gè)對(duì)象鎖，來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)視器機(jī)制的對(duì)某個(gè)對(duì)象的互斥訪問(wèn)和基于某個(gè)條件的協(xié)作工作。類(lèi)鎖的實(shí)現(xiàn)采用的是對(duì)象鎖，不同的是，對(duì)象鎖是針對(duì)java.lang.Object對(duì)象，而類(lèi)鎖是針對(duì)java.lang.Class對(duì)象，也就是類(lèi)的實(shí)例。

JVM內(nèi)部對(duì)每一個(gè)對(duì)象鎖都有一個(gè)相應(yīng)的計(jì)數(shù)，

－如果該計(jì)數(shù)為0，則它沒(méi)有被鎖，可以由訪問(wèn)它的線程來(lái)加鎖；
－如果該對(duì)象鎖被別的線程鎖定，則現(xiàn)在訪問(wèn)它的線程被掛起等待，直到鎖定它的線程釋放該對(duì)象鎖，并且計(jì)數(shù)為0；
－一個(gè)線程已經(jīng)擁有了一個(gè)對(duì)象的對(duì)象鎖，如果再次訪問(wèn)這個(gè)對(duì)象，則可以重入，并且這個(gè)對(duì)象鎖對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)加一；
－擁有對(duì)象鎖的線程釋放對(duì)象鎖的時(shí)候，對(duì)象鎖對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)減一；當(dāng)減到計(jì)數(shù)為零時(shí)，該鎖可被等待的線程競(jìng)爭(zhēng)擁有。

由對(duì)象鎖的特性可以看出，利用JVM的對(duì)象鎖就實(shí)現(xiàn)了對(duì)被對(duì)象鎖保護(hù)對(duì)象的互斥訪問(wèn)，是監(jiān)視器模型的線程的互斥實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前鎖定一個(gè)對(duì)象的線程也可以因等待（wait）某個(gè)條件而釋放該對(duì)象鎖；擁有對(duì)象鎖的線程也可以在別的線程等待的某個(gè)條件滿足之后通知它（notify）或它們（notifyAll），這也就實(shí)現(xiàn)了線程間的協(xié)作。

目前已經(jīng)討論了JVM如何實(shí)現(xiàn)線程同步的，但是還不知道如何進(jìn)入/退出臨界區(qū)，以及如何通知等待的線程實(shí)現(xiàn)線程協(xié)作的，這些都在Java語(yǔ)言上給予了支持，本文在下面章節(jié)具體介紹。

4.3 Java語(yǔ)言對(duì)線程同步的支持

Java語(yǔ)言上對(duì)線程同步的支持主要有對(duì)臨界區(qū)的標(biāo)識(shí)，和線程協(xié)作的支持。

4.3.1 同步方法與同步語(yǔ)句

Java語(yǔ)言對(duì)臨界區(qū)的標(biāo)識(shí)是通過(guò)同步方法（Synchronized Method）和同步語(yǔ)句（Synchronized Statements）實(shí)現(xiàn)的。Java線程在進(jìn)入這些同步方法或同步語(yǔ)句標(biāo)識(shí)的臨界區(qū)開(kāi)始的地方申請(qǐng)被保護(hù)對(duì)象的對(duì)象鎖；離開(kāi)臨界區(qū)的時(shí)候（包括出現(xiàn)異常而離開(kāi)的時(shí)候）釋放掉該對(duì)象鎖；如果該對(duì)象鎖已經(jīng)被別的線程鎖定，則當(dāng)前進(jìn)入的線程被掛起等待。這一切是在JVM內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的，Java程序中要做的是用同步方法或同步語(yǔ)句標(biāo)識(shí)臨界區(qū)，并指名被保護(hù)對(duì)象，也就是對(duì)象鎖所對(duì)應(yīng)的對(duì)象。

同步方法是在一個(gè)類(lèi)的方法的前面用synchronized關(guān)鍵字聲明，這樣標(biāo)識(shí)了一個(gè)臨界區(qū)，在線程訪問(wèn)這個(gè)類(lèi)的對(duì)象的該方法的時(shí)候，就遵從鎖對(duì)象的管理機(jī)制。同步語(yǔ)句是把某條或某幾條語(yǔ)句用synchronized關(guān)鍵字標(biāo)識(shí)出并指名同步語(yǔ)句所針對(duì)的對(duì)象。

同步方法和同步語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)的機(jī)理是一樣的，所不同的只是它們所標(biāo)識(shí)區(qū)域的粒度不同，同步方法的標(biāo)識(shí)的鎖的粒度大于同步語(yǔ)句的，線程等待該鎖的時(shí)間也就比較久，但是實(shí)現(xiàn)會(huì)比較容易，；同步方法可以指定其所管理的對(duì)象，比較靈活。所以對(duì)于同步方法或是同步語(yǔ)句的選擇，一般原則是，對(duì)性能要求不是很高的應(yīng)用層程序采用同步方法，而調(diào)度性能要求較高的底層應(yīng)用，宜采用同步語(yǔ)句，并盡量減小其所保護(hù)的范圍，當(dāng)然這在提高性能的同時(shí)增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。所以這要根據(jù)你所具體應(yīng)用場(chǎng)景的各項(xiàng)因素來(lái)平衡選擇。

4.3.2 協(xié)作——wait & notify/notifyAll

Java語(yǔ)言的每個(gè)對(duì)象（都是java.lang.Object的子類(lèi)）都實(shí)現(xiàn)了線程協(xié)作的方法，只是這些方法只有在同步方法或同步語(yǔ)句所標(biāo)識(shí)的臨界區(qū)內(nèi)才能被調(diào)用，也就是調(diào)用這些方法的時(shí)候，相對(duì)應(yīng)的對(duì)象已經(jīng)被加鎖。這種協(xié)作方式，也就如前文所述，

－擁有對(duì)象鎖（監(jiān)視器）的線程調(diào)用wait釋放該對(duì)象鎖并等待再次進(jìn)入；
－擁有對(duì)象鎖的線程執(zhí)行過(guò)程中，別的線程等待的條件滿足，則通知（notify）等待的線程或通知所有（notifyAll）等待的線程。

wait & notify/notifyAll的原型聲明如下：

public final void wait() throws InterruptedException
public final native void wait(long timeout) throws InterruptedException;
public final void wait(long timeout, int nanos) throws InterruptedException
public final native void notify();
public final native void notifyAll();

等待某個(gè)對(duì)象鎖的時(shí)候，可以指定等待的時(shí)間，超時(shí)的話，自動(dòng)退出等待。

當(dāng)明確知道等待區(qū)內(nèi)只有一個(gè)等待線程的時(shí)候，才應(yīng)該使用notify，否則就應(yīng)該使用notifyAll，讓JVM采用相應(yīng)的調(diào)度策略來(lái)決定選擇哪個(gè)等待該對(duì)象鎖的線程被喚起。這樣就可由JVM來(lái)保證避免某個(gè)線程無(wú)限制等待的饑餓現(xiàn)象，而不需要用戶來(lái)關(guān)注。

五、利用JVM線程同步解決生產(chǎn)者消費(fèi)者問(wèn)題

本節(jié)以生產(chǎn)者消費(fèi)者的實(shí)例說(shuō)明JVM線程同步的設(shè)計(jì)。

5.1 生產(chǎn)者消費(fèi)者問(wèn)題相關(guān)類(lèi)層次

生產(chǎn)者消費(fèi)者問(wèn)題相關(guān)類(lèi)層次如下圖所示

圖五、生產(chǎn)者消費(fèi)者問(wèn)題相關(guān)類(lèi)層次圖

生產(chǎn)者（Producer）和消費(fèi)者（Consumer）線程引用同一個(gè)緩沖區(qū)（Buffer）實(shí)例。緩沖區(qū)可以判斷當(dāng)前是否為空（isNull）；非空情況下，可以從中得到產(chǎn)品并將其清空（getProduct）；Buffer為空的情況下，可以放置產(chǎn)品進(jìn)去（setProduct）。

5.2 生產(chǎn)者線程——threadSynch.ProducerConsumer.Producer

生產(chǎn)者線程不停地生產(chǎn)產(chǎn)品，如果緩沖區(qū)為空，放置產(chǎn)品到緩沖區(qū)。Producer Override Thread的run()方法，這樣在調(diào)用線程的start()方法的時(shí)候，JVM線程調(diào)度機(jī)制會(huì)自動(dòng)調(diào)用線程的run()方法。下面程序段是Producer.run()方法。

??? public void run() {
??????? super.run();

??????? while (true) {
??????????? execute();
??????? }
??? }

execute()是生產(chǎn)者的循環(huán)執(zhí)行體，實(shí)現(xiàn)的是圖三的生產(chǎn)者的活動(dòng)，代碼如下：

??? private void execute() {

??????? generateNewProduct();
??????? System.out.println("[Producer] produced a new product: " + product);

??????? synchronized (buffer) {
??????????? System.out.println("[Producer] Owned the buffer's monitor!");

??????????? while (!buffer.isNull()) {
??????????????? System.out.println("[Producer] release the monitor and wait!");
??????????????? try {
??????????????????? buffer.wait();
??????????????? } catch (InterruptedException e) {
??????????????????? e.printStackTrace();
??????????????? }

??????????????? System.out.println("[Producer] re-owned the monitor!");
??????????? }

??????????? System.out.println("[Producer] put the product (" + product
??????????????????? + ") into the buffer!");
??????????? buffer.setProduct(product);

??????????? System.out.println("[Producer] notify other threads waiting on the monitor!");
??????????? buffer.notifyAll();

??????????? System.out.println("[Producer] to release the monitor!");
??????? }
??? }

generateNewProduct()利用java.util.Random產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)代碼生產(chǎn)者生產(chǎn)的產(chǎn)品。

??? private void generateNewProduct() {
??????? int prd = product;
??????? while ((prd = (new Random()).nextInt(100)) == product)
??????????? ;
??????? product = prd;
??? }

5.3 消費(fèi)者線程——threadSynch.ProducerConsumer.Consumer

消費(fèi)者線程不停地查詢緩沖區(qū)內(nèi)是否有產(chǎn)品，如果緩沖區(qū)內(nèi)有產(chǎn)品，則從中取出產(chǎn)品并清緩沖區(qū)。Consumer Override Thread.run()方法，這樣在調(diào)用線程的start()方法的時(shí)候，JVM線程調(diào)度機(jī)制會(huì)自動(dòng)調(diào)用線程的run()方法。Run()的實(shí)現(xiàn)同生產(chǎn)者線程，不同的是循環(huán)執(zhí)行體execute()，其實(shí)現(xiàn)的是圖三所示的消費(fèi)者的活動(dòng)。

??? private void execute() {

??????? synchronized (buff) {
??????????? System.out.println("[Consumer] Owned the monitor!");

??????????? while (buff.isNull()) {
??????????????? System.out.println("[Consumer] release the monitor and wait!");
??????????????? try {
??????????????????? buff.wait();
??????????????? } catch (InterruptedException e) {
??????????????????? ??? e.printStackTrace();
??????????????? }

??????????????? System.out.println("[Consumer] re-owned the monitor!");
??????????? }

??????????? product = buff.getProduct();
??????????? System.out.println("[Consumer] get a product (" + product
??????????????????? + ") from the buffer!");

??????????? System.out.println("[Consumer] notify others waiting on the monitor!");
??????????? buff.notifyAll();

??????????? System.out.println("[Consumer] to release the monitor!");
??????? }

??????? System.out.println("[Consumer] consume the product: " + product);
??? }

5.4 主程序——threadSynch.ProducerConsumer. ProducerConsumer

主程序ProducerConsumer創(chuàng)建Buffer以及生產(chǎn)者和消費(fèi)者線程的實(shí)例，并啟動(dòng)生產(chǎn)者和消費(fèi)者線程。

package threadSynch.ProducerConsumer;

public class ProducerConsumer {
??? private static Producer producer;
??? private static Consumer consumer;
??? private static Buffer buffer;

??? public static void main(String[] args) {
?????? buffer = new Buffer(0);
?????? producer = new Producer(buffer);
?????? consumer = new Consumer(buffer);

?????? consumer.start();
?????? producer.start();
??? }
}

5.5 程序運(yùn)行時(shí)的一個(gè)快照

下面是上述程序運(yùn)行時(shí)的一個(gè)快照，并分別以綠色和藍(lán)色標(biāo)識(shí)生產(chǎn)者和消費(fèi)者的輸出：

[Consumer] Owned the monitor!?????????????????????????????????????????????? (01)
[Consumer] release the monitor and wait!??????????????????????????????????? (02)
[Producer] produced a new product: 43??????????? ???????????????????????????(03)
[Producer] Owned the buffer's monitor!????????????????????????????????????? (04)
[Producer] put the product (43) into the buffer!??????????????????????????? (05)
[Producer] notify other threads waiting on the monitor!??? ?????????????????(06)
[Producer] to release the monitor!????????????????????????????????????????? (07)
[Consumer] re-owned the monitor!??????????????????????????????????????????? (08)
[Consumer] get a product (43) from the buffer!?????????????????????? ???????(09)
[Consumer] notify others waiting on the monitor!??????????????????????????? (10)
[Consumer] to release the monitor!????????????????????????????????????????? (11)
[Consumer] consume the product: 43????????????????????????????????????????? (12)
[Consumer] Owned the monitor!?????????????????????????????????????????????? (13)
[Producer] produced a new product: 70?????????????????????????????????????? (14)
[Consumer] release the monitor and wait!??????????????????????????????????? (15)
[Producer] Owned the buffer's monitor!????????????????????????????????????? (16)
[Producer] put the product (70) into the buffer!??????????????????????????? (17)
[Producer] notify other threads waiting on the monitor!???????????????????? (18)
[Producer] to release the monitor!????????????????????????????????????????? (19)
[Producer] produced a new product: 43?????????????????????????????????????? (20)
[Producer] Owned the buffer's monitor!????????????????????????????????????? (21)
[Producer] release the monitor and wait!??????????????????????????????????? (22)
[Consumer] re-owned the monitor!??????????????????????????????????????????? (23)
[Consumer] get a product (70) from the buffer!????????????????????????????? (24)
[Consumer] notify others waiting on the monitor!??????????????????????????? (25)
[Consumer] to release the monitor!????????????????????????????????????????? (26)
[Consumer] consume the product: 70????????????????????????????????????????? (27)
[Consumer] Owned the monitor!????????????????? ?????????????????????????????(28)
[Consumer] release the monitor and wait!??????????????????????????????????? (29)
[Producer] re-owned the monitor!??????????????????????????????????????????? (30)
[Producer] put the product (43) into the buffer!???????? ???????????????????(31)
[Producer] notify other threads waiting on the monitor!???????????????????? (32)
[Producer] to release the monitor!????????????????????????????????????????? (33)
[Producer] produced a new product: 34????????????????????????????? ?????????(34)
[Producer] Owned the buffer's monitor!????????????????????????????????????? (35)
[Producer] release the monitor and wait!??????????????????????????????????? (36)
[Consumer] re-owned the monitor!??????????????????????????????????????????? (37)
[Consumer] ――――――?????????????????????????????????????????????????????????? (38)
[Producer] ――――――?????????????????????????????????????????????????????????? (39)

生產(chǎn)者消費(fèi)者相關(guān)聯(lián)的對(duì)象的簡(jiǎn)寫(xiě)表示：Per-生產(chǎn)者；Cer－消費(fèi)者；B-緩沖區(qū)；M-緩沖區(qū)相關(guān)聯(lián)的監(jiān)視器；Px(x = 1, 2, …)-產(chǎn)品。結(jié)合圖三的生產(chǎn)者和消費(fèi)者的活動(dòng)圖，可以解釋上面的輸出快照。

－消費(fèi)者Cer首先運(yùn)行，獲得監(jiān)視器M，因緩沖區(qū)B內(nèi)當(dāng)前還沒(méi)有產(chǎn)品P，所以Cer釋放M并等待[Line 1, 2]。
－生產(chǎn)者Per生產(chǎn)了一個(gè)產(chǎn)品P1，在獲得M之后，放置P1到B并通知Cer，釋放M[Line 3-7]。
－ Cer重新獲得M之后，從B中得到P1并清空B，通知其它線程當(dāng)前B可用，釋放M，消費(fèi)產(chǎn)品P1（因?yàn)镻1已經(jīng)被Cer獲得，所以消費(fèi)P1不需要在臨界區(qū)內(nèi)完成），重新獲得M（線程調(diào)度的作用）[Line 8-13]。
－ Per生產(chǎn)一個(gè)新產(chǎn)品P2（雖然Per當(dāng)前未獲得M，但生產(chǎn)產(chǎn)品是不需要在臨界區(qū)的，當(dāng)JVM線程調(diào)度運(yùn)行Per的時(shí)候，它仍然可以生產(chǎn)產(chǎn)品）[Line 14]。
－ P2并未被放到B，所以Cer釋放M并等待[Line 15]。
－ Per現(xiàn)在可獲得M[16]，并放置P2到B[17]，然后喚醒等待M的線程[18]并釋放M[19]；當(dāng)前Cer并未獲得調(diào)度運(yùn)行，所以Per繼續(xù)生產(chǎn)P3[20]；Per獲得M并試圖放置P3到B[21]，但此時(shí)Cer還未取走P2，所以Per釋放M并等待[22]；
－ Cer…[23, …]
－ Per…[line…]

六、總結(jié)

多線程有有效的利用了計(jì)算機(jī)的最珍貴的CPU資源，但在計(jì)算性能提高的基礎(chǔ)上的同時(shí)，也增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。Java利用JVM對(duì)運(yùn)行期的控制，實(shí)現(xiàn)了JVM內(nèi)的線程模型，并簡(jiǎn)化了實(shí)現(xiàn)了線程間的同步問(wèn)題，對(duì)編寫(xiě)Java程序的人員來(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)的效率顯著提高。

任何設(shè)計(jì)決策都不能用絕對(duì)的孤立的評(píng)價(jià)角度來(lái)看，它應(yīng)該是各種因素的綜合。JVM線程同步模型也是一樣，Java開(kāi)發(fā)者實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的代價(jià)也就喪失了靈活性。比如要在同一個(gè)類(lèi)的多個(gè)方法之間實(shí)現(xiàn)同步，用同步方法或同步語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)就顯得力不從心了，如果增加監(jiān)視器來(lái)實(shí)現(xiàn)，處理不當(dāng)就又可能引起死鎖（Dead Lock）。

關(guān)于其它同步方法，Doug?Lea實(shí)現(xiàn)了一個(gè)Java語(yǔ)言工具包。現(xiàn)在這個(gè)包已經(jīng)加入處于JCP控制下的JSR標(biāo)準(zhǔn)。SUN Java SE 1.5實(shí)現(xiàn)中也已經(jīng)加入了這部分代碼，有興趣的讀者可以參閱。

文中所描述的生產(chǎn)者消費(fèi)者問(wèn)題的實(shí)例代碼可與本文作者聯(lián)系索取。

參考資料及進(jìn)一步閱讀

1) 孫鐘秀，費(fèi)翔林，駱斌，謝立. 操作系統(tǒng)教程，第三版. 高等教育出版社，2003.8
2) Abraham Silberschatz, Peter Baer Galvin, Greg Gagne. Operating System Concepts, 6^th Edition. John Wiley & Sons, Inc/高等教育出版社影印, 2002.5
3) David R. Butenhof/于磊，曾剛. Programming with POSIX Threads. Addison Wesley/中國(guó)電力出版社, 2003
4) Bill Venners著/曹曉鋼，蔣靖譯. Inside the Java Virtual Machine, 2^nd edition. McGraw-Hill/機(jī)械工業(yè)出版社, 2003
5) Ken Arnold, James Gosling, David Holmes. The Java Programming Language, 3^rd Edition. Addison Wesley/中國(guó)電力出版社影印, 2003.5
6) Michael L. Scott著/裘宗燕譯. Programming Language Pragmatics. Elsevier/電子工業(yè)出版社, 2005.3

關(guān)于作者

田海立，碩士，國(guó)家系統(tǒng)分析師，CSAI專(zhuān)業(yè)顧問(wèn)。您可以通過(guò) haili.tian@csai.cn 或 haili.tian@gmail.com 與他聯(lián)系，到 http://blog.csdn.net/thl789/ 看他最新的文章。

（本文可自由轉(zhuǎn)載，但請(qǐng)給出原文鏈接： http://blog.csdn.net/thl789/archive/2005/12/30/566494.aspx）。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的解析JVM线程同步机制的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

如果覺(jué)得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。

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