Java 并发编程(实战 (1),真香警告
当大夫再次叫到自己的号时,患者再去找大夫就诊。
或许你已经发现了,这个有着完美等待 - 通知机制的就医流程,不仅能够保证同一时刻大夫只为一个患者服务,而且还能够保证大夫和患者的效率。与此同时你可能也会有疑问,“这个就医流程很复杂呀,我们前面描述的等待 - 通知机制相较而言是不是太简单了?”那这个复杂度是否是必须的呢?这个是必须的,我们不能忽视等待 - 通知机制中的一些细节。
下面我们来对比看一下前面都忽视了哪些细节。
患者到就诊门口分诊,类似于线程要去获取互斥锁;当患者被叫到时,类似线程已经获取到锁了。
大夫让患者去做检查(缺乏检测报告不能诊断病因),类似于线程要求的条件没有满足。
患者去做检查,类似于线程进入等待状态;然后大夫叫下一个患者,这个步骤我们在前面的等待 - 通知机制中忽视了,这个步骤对应到程序里,本质是线程释放持有的互斥锁。
患者做完检查,类似于线程要求的条件已经满足;患者拿检测报告重新分诊,类似于线程需要重新获取互斥锁,这个步骤我们在前面的等待 - 通知机制中也忽视了。
所以加上这些至关重要的细节,综合一下,就可以得出一个完整的等待 - 通知机制:线程首先获取互斥锁,当线程要求的条件不满足时,释放互斥锁,进入等待状态;当要求的条件满足时,通知等待的线程,重新获取互斥锁。
用 synchronized 实现等待 - 通知机制
在 Java 语言里,等待 - 通知机制可以有多种实现方式,比如 Java 语言内置的 synchronized 配合 wait()、notify()、notifyAll() 这三个方法就能轻松实现。
如何用 synchronized 实现互斥锁,你应该已经很熟悉了。在下面这个图里,左边有一个等待队列,同一时刻,只允许一个线程进入 synchronized 保护的临界区(这个临界区可以看作大夫的诊室),当有一个线程进入临界区后,其他线程就只能进入图中左边的等待队列里等待(相当于患者分诊等待)。这个等待队列和互斥锁是一对一的关系,每个互斥锁都有自己独立的等待队列。
在并发程序中,当一个线程进入临界区后,由于某些条件不满足,需要进入等待状态, Java 对象的 wait() 方法就能够满足这种需求。如上图所示,当调用 wait() 方法后,当前线程就会被阻塞,并且进入到右边的等待队列中,这个等待队列也是互斥锁的等待队列。 线程在进入等待队列的同时,会释放持有的互斥锁,线程释放锁后,其他线程就有机会获得锁,并进入临界区了。
那线程要求的条件满足时,该怎么通知这个等待的线程呢?很简单,就是 Java 对象的 notify() 和 notifyAll() 方法。我在下面这个图里为你大致描述了这个过程,当条件满足时调用 notify(),会通知等待队列(互斥锁的等待队列)中的线程,告诉它条件曾经满足过。
为什么说是曾经满足过呢?因为 notify() 只能保证在通知时间点,条件是满足的。 而被通知线程的执行时间点和通知的时间点基本上不会重合,所以当线程执行的时候,很可能条件已经不满足了(保不齐有其他线程插队)。这一点你需要格外注意。
除此之外,还有一个需要注意的点,被通知的线程要想重新执行,仍然需要获取到互斥锁(因为曾经获取的锁在调用 wait() 时已经释放了)。
上面我们一直强调 wait()
、notify()
、notifyAll()
方法操作的等待队列是互斥锁的等待队列,所以如果 synchronized 锁定的是 this,那么对应的一定是 this.wait()
、this.notify()
、this.notifyAll()
;如果 synchronized 锁定的是 target,那么对应的一定是target.wait()
、target.notify()
、target.notifyAll()
。而且 wait()
、notify()
、notifyAll()
这三个方法能够被调用的前提是已经获取了相应的互斥锁,所以我们会发现 wait()
、notify()
、notifyAll()
都是在 synchronized{}
内部被调用的。如果在 synchronized{}
外部调用,或者锁定的 this,而用 target.wait()
调用的话,JVM 会抛出一个运行时异常:java.lang.IllegalMonitorStateException
。
小试牛刀:一个更好地资源分配器
等待 - 通知机制的基本原理搞清楚后,我们就来看看它如何解决一次性申请转出账户和转入账户的问题吧。在这个等待 - 通知机制中,我们需要考虑以下四个要素。
互斥锁:上一篇文章我们提到 Allocator 需要是单例的,所以我们可以用 this 作为互斥锁。
线程要求的条件:转出账户和转入账户都没有被分配过。
何时等待:线程要求的条件不满足就等待。
何时通知:当有线程释放账户时就通知。
将上面几个问题考虑清楚,可以快速完成下面的代码。需要注意的是我们使用了:
利用这种范式可以解决上面提到的条件曾经满足过这个问题。因为当 wait() 返回时,有可能条件已经发生变化了,曾经条件满足,但是现在已经不满足了,所以要重新检验条件是否满足。范式,意味着是经典做法,所以没有特殊理由不要尝试换个写法。后面在介绍“管程”的时候,我会详细介绍这个经典做法的前世今生。
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