难以理解的锁（二） Threads

我就是我 2024-04-18 16:44 9阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *  一、interrupt 中断
     *   *   *  关于中断的方法
             *  InterruptException
             *  自动感知中断
     *  二、wait 等待
     *  三、notify、notifyAll 通知
     *  四、sleep、yield 休眠和让步
     *  五、线程的状态
     *  六、join
     *  七、对比一下几个方法

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## 一、interrupt 中断 ##

#### 关于中断的方法 ####

Java中线程的中断（interrupt）是指线程的中断状态，true 或 false。Interrupt相关的方法：

> isInterrupted ：判断线程的中断状态，如果线程被中断返回true。  
> interrupt ：中断当前线程，将中断状态设置为true。  
> interrupted ：静态方法，判断当前线程是否中断，并且重置中断状态为false。

设置了线程中断状态为true后，线程会自己处理这个状态。

#### InterruptException ####

Thread.sleep()、Thread.wait() 等方法声明都会有 throws InterruptException，通常称这些方法为阻塞方法。阻塞方法通常需要较长的时间返回并且依赖其他外部条件，所以如果需要快速返回的话可以使用中断实现。

**ReentrantLock 中 lock 方法处理中断：**  
AbstractQueuedSynchronizer\#acquire | acquireQueued | parkAndCheckInterrupt | selfInterrupt

public final void acquire(int arg) { 
            if (!tryAcquire(arg) &&
                acquireQueued(addWaiter(Node.EXCLUSIVE), arg))
                // 如果返回true表示在等待中被中断，调用方法再次设置中断状态为true
                selfInterrupt();
        }

final boolean acquireQueued(final Node node, int arg) { 
            boolean failed = true;
            try { 
                boolean interrupted = false;
                for (;;) { 
                    final Node p = node.predecessor();
                    if (p == head && tryAcquire(arg)) { 
                        setHead(node);
                        p.next = null; // help GC
                        failed = false;
                        return interrupted;
                    }
                    if (shouldParkAfterFailedAcquire(p, node) &&
                        parkAndCheckInterrupt())
                        // 如果线程中断状态，设置interrupted变量为true
                        interrupted = true;
                }
            } finally { 
                if (failed)
                    cancelAcquire(node);
            }
        }

private final boolean parkAndCheckInterrupt() { 
        	// 阻塞线程
            LockSupport.park(this);
            // 判断线程中断状态，并重新设置中断状态为false
            return Thread.interrupted();
        }

static void selfInterrupt() { 
        	// 中断当前线程（设置中断状态true）
            Thread.currentThread().interrupt();
        }

**ReentrantLock 中 lockInterruptibly 方法处理中断：**

public void lockInterruptibly() throws InterruptedException { 
            sync.acquireInterruptibly(1);
        }

public final void acquireInterruptibly(int arg) throws InterruptedException { 
            // 如果线程状态为中断，则直接抛出异常
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
            if (!tryAcquire(arg))
                doAcquireInterruptibly(arg);
        }

可以参考这两种方式处理线程中断，达到停止线程的目的。

#### 自动感知中断 ####

Thread类的 join 和 sleep 的重载方法，Object类的 wait 重载方法可以自动感知到线程的中断。这几个方法声明都有 throws InterruptException，当线程阻塞在这些方法上时，如果其他线程对这个线程进行中断，此线程会从这些方法立即返回，抛出异常，并且设置中断状态为false。

Thread t1 = new Thread(() -> { 
                synchronized (obj) { 
                    try { 
                        System.out.println("t1 acquire lock");
                        obj.wait(100000);
                        //LockSupport.park();
                        System.out.println("t1 finish park/wait");
                    } catch (Exception e) { 
                    	System.out.println("t1 state: " + Thread.currentThread().isInterrupted());
                        System.out.println("t1 InterruptedException");
                    }
                }
            });
            t1.start();
            Thread.sleep(100); // 先让线程t1获取到锁
    
            boolean before = t1.isInterrupted();
            t1.interrupt();
            boolean after = t1.isInterrupted();
            System.out.println("t1 interrupt before state: " + before);
            System.out.println("t1 interrupt after state: " + after);

控制台输出（实际打印顺序每次都不一样）：

> t1 acquire lock  
> t1 state: false  
> t1 InterruptedException  
> t1 interrupt before state: false  
> t1 interrupt after state: true

线程t1被中断后线程的中断状态为true（并不是一定），wait方法返回，抛出异常。并且catch块中打印t1状态为false，说明中断状态又设置为false。如果在主线程中中断t1后过一段时间查看t1状态，那一定是false。  
ReentrantLock 中 LockSupport.park(this) 将同步队列中线程阻塞，如果其他线程中断此线程，则线程会唤醒，但是中断状态还是true。

Thread t1 = new Thread(() -> { 
                synchronized (obj) { 
                    try { 
                        System.out.println("t1 acquire lock");
                        //obj.wait(1000);
                        LockSupport.park();
                        System.out.println("t1 state: " + Thread.currentThread().isInterrupted());
                        System.out.println("t1 finish park/wait");
                    } catch (Exception e) { 
                        System.out.println("t1 InterruptedException");
                    }
                }
            });
            t1.start();
            Thread.sleep(100);
    
            boolean before = t1.isInterrupted();
            t1.interrupt();
            boolean after = t1.isInterrupted();
            System.out.println("t1 interrupt before state: " + before);
            System.out.println("t1 interrupt after state: " + after);

控制台输出（实际打印顺序每次都不一样）：

> t1 acquire lock  
> t1 state: true  
> t1 finish park/wait  
> t1 interrupt before state: false  
> t1 interrupt after state: true

## 二、wait 等待 ##

java中每个对象都关联一个 monitor，使用 synchronized 加锁，实际是获取对象关联的 monitor 锁的过程。同一时间只有一个线程获取到对象的monitor锁，如果其他线程在锁占用期间获取锁，将会阻塞在队列中（重量级锁）。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdHRlX2Zyb2c_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
未获取到锁的线程被封装成ObjectWaiter添加到ContenttionList（cxq）中，持有锁的线程解锁前会将ContentionList中元素移动到EntiryList中。Owner表示当前持有锁的线程，加锁的对象调用wait方法将加入WaitSet（等待集合），当被唤醒或者等待时间到期后会重新加入到EntityList，重新参与锁的竞争。

**wait 方法执行情况：**  
1 如果 **线程t** 未获取到 **对象o** 的锁，将抛出 IllegalMonitorStateException 异常  
2 如果调用wait的重载方法，timeout不能为负数，nanos范围\[0,999999\]，否则抛出IllegalArgumentException异常  
3 如果线程t被中断，则抛出InterruptedException异常，并设置线程中断状态为false  
4 线程加入等待集合，并完全释放对象o上的锁（发生重入）。等待直到从等待集合中移出，移出后参与锁竞争，继续完成加锁等操作。如果线程因为中断从等待集合中移出，中断状态将设置为false，并且抛出中断异常。

线程T由于主线程的打断，退出等待，与其他100个线程参与锁竞争：

CountDownLatch cdl = new CountDownLatch(100);
            CountDownLatch cdl_0 = new CountDownLatch(1);
    
            Thread t1 = new Thread(() -> { 
                synchronized (obj) { 
                    try { 
                        System.out.println("t-T acquire lock");
                        obj.wait(10000);
                    } catch (Exception e) { 
                        System.out.println("t-T InterruptedException");
                    }
                    System.out.println("t-T again acquire lock");
                }
            });
            t1.start();
            Thread.sleep(300);
    
            IntStream.range(0, 100).forEach(i -> new Thread(() -> { 
                try { 
                    cdl_0.await();
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (obj) { 
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " acquire lock");
                }
                cdl.countDown();
            }, "t-" + i).start());
    
            cdl_0.countDown();
            t1.interrupt();
            cdl.await();
            System.out.println("end");

什么情况线程t会从等待集合（加锁对象对应monitor中的等待集合，是属于某个对象的）中移出，图中的d：  
a 线程t被其他线程中断  
b 其他线程中调用加锁对象的notify方法，有可能唤醒线程t（需要被选中）  
c 其他线程中调用加锁对象的notifyAll方法，唤醒等待集合中所有线程，包括线程t  
d 线程t调用wait有参数的重载方法，在指定的时间后从等待集合中移出  
e JVM的“假唤醒”。

> wait方法应该写在while循环中，等待某个条件成立后退出循环，避免假唤醒。

**从等待集合中移出后的线程，需要等待当前线程释放锁之后，才会重新参与锁的竞争，竞争到锁才会继续执行（无论是中断抛出异常还是通知后正常执行，都需要再次获取到锁）。**

## 三、notify、notifyAll 通知 ##

**notify、notifyAll 执行情况：**  
1 在 **线程t** 中 **对象o** 调用notify或者notifyAll方法后，如果线程t 还未 获取到 对象o 的锁，抛出IllegalMonitorStateException  
2 notify 方法会从等待集合中选中一个线程（如果有）移出等待集合，这个线程将在t释放锁之后参与锁竞争  
3 notifyAll 方法会将等待集合中所有线程移出，这些线程参与竞争

## 四、sleep、yield 休眠和让步 ##

sleep方法使当前线程停止执行指令一段时间，与wait不同的是并不会释放已经获取的锁。  
yield方法告诉当前系统的调度器让出cpu给其他线程用，调度器可以不理会。

## 五、线程的状态 ##

一个线程在同一时间智能处于以下状态（虚拟机状态，和操作系统没有关系）之一：*NEW、RUNABLE、BLOCKED、WAITING、TIMED\_WAITING、TERMINATED*。

下面是源码中的注释：  
**NEW**：尚未启动的线程的线程状态。  
**RUNNABLE**：可运行线程的线程状态。处于runnable 状态的线程正在Java虚拟机中执行，但是它可能在等待操作系统中的其他资源，比如处理器。  
**BLOCKED**：等待监视器锁的阻塞线程的线程状态。处于阻塞状态的线程正在等待监视器锁进入同步块/方法，或者在调用Object.wait后重新进入同步块/方法。  
**WAITING**：等待线程的线程状态。由于调用以下方法之一，线程处于等待状态:Object.wait \\ Thread.join \\ LockSupport.park。处于等待状态的线程正在等待另一个线程执行特定的操作。例如，一个在对象上调用object.wait()的线程正在等待另一个线程在该对象上调用object. notify()或object. notifyall()。调用thread.join()的线程正在等待指定的线程终止。  
**TIMED\_WAITING**：具有指定等待时间的等待线程的线程状态。线程由于调用下列方法之一，并指定了正等待时间，因此处于定时等待状态:Thread.sleep(long) \\ Object.wait(long) \\ Thread.join(long) \\ LockSupport.parkNanos \\ LockSupport.parkUntil 。  
**TERMINATED**：终止线程的线程状态。线程已经完成执行。

结合注释我总结了线程状态之间的转换关系（20190911更新）：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdHRlX2Zyb2c_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
在 WAITING 和 TIMED\_WAITING 状态时，其他线程执行等待超时、notify、notifyAll、interrupt 会变为 BLOCKED 状态，竞争到锁之后才是RUNNABLE状态。（结合monitor结构那张图就比较好理解了，waitSet集合中的线程会进入EntryList集合，参与下次锁竞争）

假设有5个线程去获取 obj 锁，然后 wait 100ms，可以查看 wait 超时之后每个线程的状态：

List<Thread> threadList = new ArrayList<>();
            Thread thread;
            for (int i = 0; i < 5; i++) { 
                thread = new Thread(() -> { 
                    synchronized (obj) { 
                        String threadName = Thread.currentThread().getName();
                        try { 
                            System.out.println(threadName + " acquire lock");
                            obj.wait(100);
                            for (int j = 0; j < 5; j++) { 
                                System.out.println(threadName + " -> " 
                                        + threadList.get(j).getName() + " " 
                                        + threadList.get(j).getState().name());
                            }
                            //obj.notifyAll();
                        } catch (InterruptedException e) { 
                            //e.printStackTrace();
                            System.out.println(threadName +" InterruptedException");
                        }
                    }
                }, "t-" + i);
                threadList.add(thread);
            }
            for (int i = 0; i < 5; i++) { 
                threadList.get(i).start();
            }
            System.out.println("main thread end");

> main thread end  
> t-0 acquire lock  
> t-3 acquire lock  
> t-2 acquire lock  
> t-4 acquire lock  
> t-1 acquire lock  
> t-2 -> t-0 TIMED\_WAITING  
> t-2 -> t-1 BLOCKED  
> t-2 -> t-2 RUNNABLE  
> t-2 -> t-3 BLOCKED  
> t-2 -> t-4 BLOCKED  
> t-0 -> t-0 RUNNABLE  
> t-0 -> t-1 BLOCKED  
> t-0 -> t-2 RUNNABLE  
> t-0 -> t-3 BLOCKED  
> t-0 -> t-4 BLOCKED  
> t-3 -> t-0 TERMINATED  
> t-3 -> t-1 BLOCKED  
> t-3 -> t-2 TERMINATED  
> t-3 -> t-3 RUNNABLE  
> t-3 -> t-4 BLOCKED  
> t-1 -> t-0 TERMINATED  
> t-1 -> t-1 RUNNABLE  
> t-1 -> t-2 TERMINATED  
> t-1 -> t-3 TERMINATED  
> t-1 -> t-4 BLOCKED  
> t-4 -> t-0 TERMINATED  
> t-4 -> t-1 TERMINATED  
> t-4 -> t-2 TERMINATED  
> t-4 -> t-3 TERMINATED  
> t-4 -> t-4 RUNNABLE

可以看到每个线程依次获取到了锁（wait方法会释放锁），然后进入TIMED\_WAITING状态，超时之后变为BLOCKED状态，RUNNABLE状态，执行完毕后是TERMINATED状态。这里可以倒推，最后一个执行的的线程t4，在t1执行时t4的状态是BLOCKED，同理t3执行时t1也是BLOCKED，符合图中内容。

这里可再验证一下中断的情况，让第一个等待超时并在此获取到锁的线程中断其他线程：

List<Thread> threadList = new ArrayList<>();
            Thread thread;
            for (int i = 0; i < 5; i++) { 
                thread = new Thread(() -> { 
                    synchronized (obj) { 
                        String threadName = Thread.currentThread().getName();
                        try { 
                            System.out.println(threadName + " acquire lock");
                            obj.wait(100);
                            for (int j = 0; j < 5; j++) { 
                                System.out.println(threadName + " -> "
                                        + threadList.get(j).getName() + " "
                                        + threadList.get(j).getState().name());
                                if (!threadName.equals(threadList.get(j).getName())) { 
                                    threadList.get(j).interrupt();
                                }
                            }
                        } catch (InterruptedException e) { 
                            //e.printStackTrace();
                            System.out.println(threadName +" InterruptedException");
                            for (int j = 0; j < 5; j++) { 
                                System.out.println(threadName + " -> "
                                        + threadList.get(j).getName() + " "
                                        + threadList.get(j).getState().name());
                            }
                        }
                    }
                }, "t-" + i);
                threadList.add(thread);
            }
            for (int i = 0; i < 5; i++) { 
                threadList.get(i).start();
            }
            System.out.println("main thread end");

> main thread end  
> t-0 acquire lock  
> t-3 acquire lock  
> t-4 acquire lock  
> t-2 acquire lock  
> t-1 acquire lock  
> t-3 -> t-0 TIMED\_WAITING  
> t-3 -> t-1 BLOCKED  
> t-3 -> t-2 BLOCKED  
> t-3 -> t-3 RUNNABLE  
> t-3 -> t-4 BLOCKED  
> t-4 InterruptedException  
> t-4 -> t-0 BLOCKED  
> t-4 -> t-1 BLOCKED  
> t-4 -> t-2 BLOCKED  
> t-4 -> t-3 TERMINATED  
> t-4 -> t-4 RUNNABLE  
> t-0 InterruptedException  
> t-0 -> t-0 RUNNABLE  
> t-0 -> t-1 BLOCKED  
> t-0 -> t-2 BLOCKED  
> t-0 -> t-3 TERMINATED  
> t-0 -> t-4 TERMINATED  
> t-1 InterruptedException  
> t-1 -> t-0 TERMINATED  
> t-1 -> t-1 RUNNABLE  
> t-1 -> t-2 BLOCKED  
> t-1 -> t-3 TERMINATED  
> t-1 -> t-4 TERMINATED  
> t-2 InterruptedException  
> t-2 -> t-0 TERMINATED  
> t-2 -> t-1 TERMINATED  
> t-2 -> t-2 RUNNABLE  
> t-2 -> t-3 TERMINATED  
> t-2 -> t-4 TERMINATED

可以看到t2抛出异常时是RUNNABLE状态，t1执行时t2是BLOCKED状态，也符合前面说的wait方法被中断线程从waitSet中移出，然后再次尝试获取锁，获取锁之后抛出异常。

验证线程执行sleep方法后是TIMED\_WAITING状态，让5个线程竞争锁，然后让竞争到锁的线程休眠，同时在主线程中一直循环查看每个线程状态：

List<Thread> threadList = new ArrayList<>();
            Thread t;
            for (int i = 0; i < 5; i++) { 
                t = new Thread(()->{ 
                    synchronized (obj) { 
                        try { 
                            Thread.sleep(100);
                        } catch (InterruptedException e) { 
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                }, "t-"+i);
                threadList.add(t);
            }
            boolean b = true;
            int a = 0;
            while(b || a==0) { 
                for (int i = 0; i < 5; i++) { 
                    Thread thread = threadList.get(i);
                    System.out.println(thread.getName() + " " + thread.getState().name());
                    if (i == 4 && thread.getState().equals(Thread.State.TERMINATED)) b=false;
                }
                if (a == 0) { 
                    a++;
                    for (int i = 0; i < 5; i++) { 
                        threadList.get(i).start();
                    }
                }
            }

控制台打印内容比较多，我截取了一部分：

> t-0 NEW  
> t-1 NEW  
> t-2 NEW  
> t-3 NEW  
> t-4 NEW  
> t-0 RUNNABLE  
> t-1 RUNNABLE  
> t-2 RUNNABLE  
> t-3 RUNNABLE  
> t-4 RUNNABLE  
> t-0 TIMED\_WAITING  
> t-1 BLOCKED  
> t-2 BLOCKED  
> t-3 RUNNABLE  
> t-4 RUNNABLE  
> t-0 TIMED\_WAITING  
> t-1 BLOCKED  
> t-2 BLOCKED  
> t-3 BLOCKED  
> t-4 BLOCKED  
> …  
> t-0 RUNNABLE  
> t-1 BLOCKED  
> t-2 BLOCKED  
> t-3 BLOCKED  
> t-4 TIMED\_WAITING  
> t-0 TERMINATED  
> t-1 BLOCKED  
> t-2 BLOCKED  
> t-3 BLOCKED  
> t-4 TIMED\_WAITING  
> …

## 六、join ##

join是Thread的一个实例方法，内部实现：

public final synchronized void join(long millis)  throws InterruptedException { 
            long base = System.currentTimeMillis();
            long now = 0;
    
            if (millis < 0) { 
                throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
            }
    
            if (millis == 0) { 
            	// 测试此线程是否存活。如果一个线程已经启动并且尚未死亡，则该线程处于活动状态。
                while (isAlive()) { 
                    wait(0);
                }
            } else { 
                while (isAlive()) { 
                    long delay = millis - now;
                    if (delay <= 0) { 
                        break;
                    }
                    wait(delay);
                    now = System.currentTimeMillis() - base;
                }
            }
        }

如果当前线程是活动状态，则调用当前线程的wait方法。也就是说导致线程wait返回的方式同样可以使线程join返回，例如notify、interrupt、等待超时等。join是同步方法，线程执行方法前后会自动执行加锁解锁操作，加锁对象为Thread的实例。

如果在线程t1中调用线程t2的join方法后，会发生什么？有点烧脑。

Thread t2 = new Thread(() -> { 
                System.out.println("t2 thread end");
            }, "t2");
            t2.start();
            t2.join();
            System.out.println("main thread end");

上面代码中在执行join方法前main线程（t1线程）和t2线程是并行的。执行join方法：

*  1 执行t2对象的同步方法，首先要获取到t2对象的锁。
 *  2 获取到锁进入方法内部，**循环（防止假唤醒）判断 t2线程 是否存活**，t2如存活则调用wait方法，会将t1线程加入t2对象的等待集合中，同时释放锁。为什么判断的是t2是否存活，注释上说的并不是很清楚，首先isAlive是t2实例的方法，然后注释说明是“测试此线程是否存活。如果一个线程已经启动并且尚未死亡，则该线程处于活动状态。”如果这里代表t1那么t1一直满足这个存活条件，循环不会停止。
 *  3 到wait为止，t2线程还在正常执行，t1已经被加入waitSet集合了也释放了锁，停止了执行。那么什么时候t1被唤醒？t2线程执行完毕后会调用notifyAll方法（join方法的注释上说明），唤醒等待集合中线程。
 *  4 t1线程继续获取到锁，这时检测t2已经死亡，退出循环，join方法返回，t1继续执行。

**直观的感觉就是t1线程在等待t2线程的执行，t2执行完毕后t1再从join方法后继续执行。**

## 七、对比一下几个方法 ##

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>方法</th> 
   <th>Object</th> 
   <th>Thread</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>interrupt</td> 
   <td></td> 
   <td>实例</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>interrupted</td> 
   <td></td> 
   <td>静态</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>isInterrupted</td> 
   <td></td> 
   <td>实例</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>wait</td> 
   <td>实例</td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>notify</td> 
   <td>实例</td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>notifyAll</td> 
   <td>实例</td> 
   <td></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>sleep</td> 
   <td></td> 
   <td>静态</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>yield</td> 
   <td></td> 
   <td>静态</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>join</td> 
   <td></td> 
   <td>实例</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**为什么wait、notify、notifyAll方法在Object中而不是Thread中？**

*  这个问题还是要从synchronized关键字说起，synchronized同步代码块或者同步方法是对某个对象加锁，JVM中每个对象的对象头中markWord中关联了一个monitor，monitor中记录了重入次数、由于获取不到锁而阻塞的线程队列、当前用于锁的线程、由于调用wait方法而进入等待的线程集合等。处于等待状态的线程是不持有锁的，需要其他线程执行notify和notifyAll方法唤醒，线程从等待集合中移出，重新准备竞争锁。
 *  wait方法执行是需要释放锁的， 如果wait方法在Thread中，那么调用该方法时一定要记录下该线程是在执行同步方法（或者代码块）时进入了wait状态，因为其他线程执行notify或notifyAll唤醒这个线程后，需要重新获取这个同步方法的锁才能继续执行。另外还需要记录等待在方法上的线程，其他线程执行notify或notifyAll时需要通知这些线程去竞争锁。每个Thread对象都记录这些信息占用空间相比在Object对象占用的空间是比较大的。
 *  Java中可以对任意Object对象加锁，Object作为顶级父类，wait等方法适用每个对象。
 *  另外在锁中记录那个线程正在持有锁，那些线程正在排队获取锁，那些线程在等待，要比在线程中记录获取了那个对象的锁，正在等待获取哪个对象的锁，要唤醒那些线程去竞争那些对象的锁要容易些。

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