Java Synchronized 原理

2019/12/29 Knowledge

参考

一、JAVA 对象布局

Unsafe 操作 JAVA 内存码

Unsafe是位于sun.misc包下的一个类,主要提供一些用于执行低级别、不安全操作的方法,如直接访问系统内存资源、自主管理内存资源等,这些方法在提升Java运行效率、增强Java语言底层资源操作能力方面起到了很大的作用。但由于Unsafe类使Java语言拥有了类似C语言指针一样操作内存空间的能力,这无疑也增加了程序发生相关指针问题的风险。在程序中过度、不正确使用Unsafe类会使得程序出错的概率变大,使得Java这种安全的语言变得不再“安全”,因此对Unsafe的使用一定要慎重。

引用方式

  • 从getUnsafe方法的使用限制条件出发,通过Java命令行命令-Xbootclasspath/a把调用Unsafe相关方法的类A所在jar包路径追加到默认的bootstrap路径中,使得A被引导类加载器加载,从而通过Unsafe.getUnsafe方法安全的获取Unsafe实例。

  • 通过反射获取单例对象theUnsafe。

操作

这部分主要包含堆外内存的分配、拷贝、释放、给定地址值操作等方法。

//分配内存, 相当于C++的malloc函数
public native long allocateMemory(long bytes);
//扩充内存
public native long reallocateMemory(long address, long bytes);
//释放内存
public native void freeMemory(long address);
//在给定的内存块中设置值
public native void setMemory(Object o, long offset, long bytes, byte value);
//内存拷贝
public native void copyMemory(Object srcBase, long srcOffset, Object destBase, long destOffset, long bytes);
//获取给定地址值,忽略修饰限定符的访问限制。与此类似操作还有: getInt,getDouble,getLong,getChar等
public native Object getObject(Object o, long offset);
//为给定地址设置值,忽略修饰限定符的访问限制,与此类似操作还有: putInt,putDouble,putLong,putChar等
public native void putObject(Object o, long offset, Object x);
//获取给定地址的byte类型的值(当且仅当该内存地址为allocateMemory分配时,此方法结果为确定的)
public native byte getByte(long address);
//为给定地址设置byte类型的值(当且仅当该内存地址为allocateMemory分配时,此方法结果才是确定的)
public native void putByte(long address, byte x);

通常,我们在Java中创建的对象都处于堆内内存(heap)中,堆内内存是由JVM所管控的Java进程内存,并且它们遵循JVM的内存管理机制,JVM会采用垃圾回收机制统一管理堆内存。与之相对的是堆外内存,存在于JVM管控之外的内存区域,Java中对堆外内存的操作,依赖于Unsafe提供的操作堆外内存的native方法。

JOL 查看 JAVA 内存

Unsafe 比较复杂,这里使用比较简单的 JOL。

可以使用 Maven 引入相关包。

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-core</artifactId>
    <version>0.9</version>
</dependency>

可以很方便打印类的内存信息如下:

package test.synchronizedCode;

/**
 * Lock
 */
public class Lock {
    public int lock = 0;
    public boolean isLock = false;
}

System.out.println(ClassLayout.parseInstance(l).toPrintable());

结果为:

jol

对象在内存中的布局

在JVM中,对象在内存中的布局分为三块区域:对象头、实例数据和对齐填充。

堆内存

可以看见之前使用 JOL 打印出来的对象,含有对象头和实例变量,最下面一行 7 个字节即为对齐填充。

  • 实例变量:存放类的属性数据信息,包括父类的属性信息,如果是数组的实例部分还包括数组的长度,这部分内存按4字节对齐。

  • 填充数据:由于虚拟机要求对象起始地址必须是8字节的整数倍。填充数据不是必须存在的,仅仅是为了字节对齐。不一定一定有。数据对齐是为了方便 CPU 运算和 GC。

  • 对象头:每个 GC 管理的堆对象开头的通用结构。固定格式。每一个 OOP 的指针只想一个对象头。包括堆对象的布局、对象的模版信息(方法区后改为元空间中)、GC状态、同步状态(Synchronized)和表示哈希码。一般由两个属性组成(Mark Word, Klass Pointer),数组由三个属性组成,会多一个长度属性。

对象头

对象头结构

Java 头对象其主要结构是由Mark Word 和 Klass Pointer(Class Metadata Address)组成,其结构说明如下:

对象头结构

其中 Mark Word 在默认情况下存储着对象的 HashCode、分代年龄、锁标记位等以下是 32 位 JVM 的 Mark Word 默认存储结构

32 位 Mark Word

对象头的状态

  • 无锁
  • 偏向锁
  • 轻量锁
  • 重量锁
  • GC 标记

锁在对象头中总共两个 bit 位,如何代表 5 个状态?

拥有一个记录是否是偏向锁的标志位(1 bit)。

对象状态

注:上图仅适用于 64 位机器,每个状态为一行。

刚刚跑的代码中,可以看到对象头总共 96 个 bit,而在上图中写的对象头总共位 128 个 bit,是因为一般情况下虚拟机默认开启指针压缩。一般情况下,intel 处理器用的是小端存储,即在小地址存储数据(倒着的),所以可以看见图中前 8 位是 1。

2. Java 中的锁

CAS

CAS,compare and swap 的缩写,中文翻译成比较并交换。

CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置(V)、预期原值(A)和新值(B)。 如果内存位置的值与预期原值相匹配,那么处理器会自动将该位置值更新为新值 。否则,处理器不做任何操作。无论哪种情况,它都会在 CAS 指令之前返回该位置的值。(在 CAS 的一些特殊情况下将仅返回 CAS 是否成功,而不提取当前 值。)CAS 有效地说明了“我认为位置 V 应该包含值 A;如果包含该值,则将 B 放到这个位置;否则,不要更改该位置,只告诉我这个位置现在的值即可。”

通常将 CAS 用于同步的方式是从地址 V 读取值 A,执行多步计算来获得新值 B,然后使用 CAS 将 V 的值从 A 改为 B。如果 V 处的值尚未同时更改,则 CAS 操作成功。

类似于 CAS 的指令允许算法执行读-修改-写操作,而无需害怕其他线程同时修改变量,因为如果其他线程修改变量,那么 CAS 会检测它(并失败),算法可以对该操作重新计算。

或许我们可能会有这样的疑问,假设存在多个线程执行 CAS 操作并且 CAS 的步骤很多,有没有可能在判断 V 和 E 相同后,正要赋值时,切换了线程,更改了值。造成了数据不一致呢?答案是否定的,因为 CAS 是一种系统原语,原语属于操作系统用语范畴,是由若干条指令组成的,用于完成某个功能的一个过程,并且原语的执行必须是连续的,在执行过程中不允许被中断,也就是说 CAS 是一条 CPU 的原子指令,不会造成所谓的数据不一致问题。

重量级锁

之所以它重是因为它被挂起后线程会由用户态转换为内核态,这个转换会带来性能损耗。

我们主要分析一下重量级锁也就是通常说 synchronized 的对象锁,锁标识位为 10 ,其中指针指向的是 monitor 对象(也称为管程或监视器锁)的起始地址。每个对象都存在着一个 monitor 与之关联,对象与其 monitor 之间的关系有存在多种实现方式,如 monitor 可以与对象一起创建销毁或当线程试图获取对象锁时自动生成,但当一个 monitor 被某个线程持有后,它便处于锁定状态。在Java虚拟机(HotSpot)中,monitor 是由 ObjectMonitor 实现的,其主要数据结构如下(位于 HotSpot 虚拟机源码 ObjectMonitor.hpp 文件,C++ 实现的):

ObjectMonitor() {
    _header       = NULL;
    _count        = 0; //记录个数
    _waiters      = 0,
    _recursions   = 0;
    _object       = NULL;
    _owner        = NULL;
    _WaitSet      = NULL; //处于wait状态的线程,会被加入到_WaitSet
    _WaitSetLock  = 0 ;
    _Responsible  = NULL ;
    _succ         = NULL ;
    _cxq          = NULL ;
    FreeNext      = NULL ;
    _EntryList    = NULL ; //处于等待锁block状态的线程,会被加入到该列表
    _SpinFreq     = 0 ;
    _SpinClock    = 0 ;
    OwnerIsThread = 0 ;
  }

ObjectMonitor 中有两个队列,_WaitSet 和 _EntryList,用来保存 ObjectWaiter 对象列表(每个等待锁的线程都会被封装成ObjectWaiter对象),_owner 指向持有 ObjectMonitor 对象的线程,当多个线程同时访问一段同步代码时,首先会进入 _EntryList 集合,当线程获取到对象的 monitor 后进入 _Owner 区域并把 monitor 中的 owner 变量设置为当前线程同时 monitor 中的计数器 count 加 1,若线程调用 wait() 方法,将释放当前持有的 monitor,owner 变量恢复为 null ,count 自减 1,同时该线程进入 WaitSet 集合中等待被唤醒。若当前线程执行完毕也将释放 monitor(锁)并复位变量的值,以便其他线程进入获取 monitor(锁)。如下图所示:

锁

由此看来,monitor 对象存在于每个 Java 对象的对象头中(存储的指针的指向),synchronized 锁便是通过这种方式获取锁的,也是为什么 Java 中任意对象可以作为锁的原因,同时也是 notify/notifyAll/wait 等方法存在于顶级对象 Object 中的原因(关于这点稍后还会进行分析),有了上述知识基础后,下面我们将进一步分析 synchronized 在字节码层面的具体语义实现。

两个线程竞争

Sychronized 代码块底层原理

现在我们重新定义一个 synchronized 修饰的同步代码块,在代码块中操作共享变量 i,如下:

public class SyncCodeBlock {

   public int i;

   public void syncTask(){
       //同步代码库
       synchronized (this){
           i++;
       }
   }
}

编译上述代码并使用javap反编译后得到字节码如下(这里我们省略一部分没有必要的信息):

Classfile /Users/zejian/Downloads/Java8_Action/src/main/java/com/zejian/concurrencys/SyncCodeBlock.class
  Last modified 2017-6-2; size 426 bytes
  MD5 checksum c80bc322c87b312de760942820b4fed5
  Compiled from "SyncCodeBlock.java"
public class com.zejian.concurrencys.SyncCodeBlock
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
  //........省略常量池中数据
  //构造函数
  public com.zejian.concurrencys.SyncCodeBlock();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 7: 0
  //===========主要看看syncTask方法实现================
  public void syncTask();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=3, locals=3, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: astore_1
         3: monitorenter  //注意此处,进入同步方法
         4: aload_0
         5: dup
         6: getfield      #2             // Field i:I
         9: iconst_1
        10: iadd
        11: putfield      #2            // Field i:I
        14: aload_1
        15: monitorexit   //注意此处,退出同步方法
        16: goto 24
        19: astore_2
        20: aload_1
        21: monitorexit //注意此处,退出同步方法
        22: aload_2
        23: athrow
        24: return
      Exception table:
      //省略其他字节码.......
}
SourceFile: "SyncCodeBlock.java"

其中以下代码是重点部分:

3: monitorenter  //进入同步方法
//..........省略其他  
15: monitorexit   //退出同步方法
16: goto 24
//省略其他.......
21: monitorexit //退出同步方法

从字节码中可知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,当执行 monitorenter 指令时,当前线程将试图获取 objectref(即对象锁) 所对应的 monitor 的持有权,当 objectref 的 monitor 的进入计数器为 0,那线程可以成功取得 monitor,并将计数器值设置为 1,取锁成功。如果当前线程已经拥有 objectref 的 monitor 的持有权,那它可以重入这个 monitor(关于重入性稍后会分析),重入时计数器的值也会加 1。倘若其他线程已经拥有 objectref 的 monitor 的所有权,那当前线程将被阻塞,直到正在执行线程执行完毕,即 monitorexit 指令被执行,执行线程将释放 monitor(锁)并设置计数器值为0 ,其他线程将有机会持有 monitor。值得注意的是编译器将会确保无论方法通过何种方式完成,方法中调用过的每条 monitorenter 指令都有执行其对应 monitorexit 指令,而无论这个方法是正常结束还是异常结束。为了保证在方法异常完成时 monitorenter 和 monitorexit 指令依然可以正确配对执行,编译器会自动产生一个异常处理器,这个异常处理器声明可处理所有的异常,它的目的就是用来执行 monitorexit 指令。从字节码中也可以看出多了一个 monitorexit 指令,它就是异常结束时被执行的释放 monitor 的指令。

Sychronized 方法底层原理

现在我们重新定义一个 synchronized 修饰的同步代码块,在代码块中操作共享变量 i,如下:

public class SyncMethod {

   public int i;

   public synchronized void syncTask(){
           i++;
   }
}

同样使用 javap 反编译:

Classfile /Users/zejian/Downloads/Java8_Action/src/main/java/com/zejian/concurrencys/SyncMethod.class
  Last modified 2017-6-2; size 308 bytes
  MD5 checksum f34075a8c059ea65e4cc2fa610e0cd94
  Compiled from "SyncMethod.java"
public class com.zejian.concurrencys.SyncMethod
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool;

   //省略没必要的字节码
  //==================syncTask方法======================
  public synchronized void syncTask();
    descriptor: ()V
    //方法标识ACC_PUBLIC代表public修饰,ACC_SYNCHRONIZED指明该方法为同步方法
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED
    Code:
      stack=3, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: dup
         2: getfield      #2                  // Field i:I
         5: iconst_1
         6: iadd
         7: putfield      #2                  // Field i:I
        10: return
      LineNumberTable:
        line 12: 0
        line 13: 10
}
SourceFile: "SyncMethod.java"

从字节码中可以看出,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。这便是 synchronized 锁在同步代码块和同步方法上实现的基本原理。同时我们还必须注意到的是在 Java 早期版本中,synchronized 属于重量级锁,效率低下。因为监视器锁(monitor)是依赖于底层的操作系统的 Mutex Lock 来实现的,而操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到核心态,这个状态之间的转换需要相对比较长的时间,时间成本相对较高,这也是为什么早期的 synchronized 效率低的原因。庆幸的是在Java 6 之后 Java 官方对从 JVM 层面对 synchronized 较大优化,所以现在的 synchronized 锁效率也优化得很不错了,Java 6 之后,为了减少获得锁和释放锁所带来的性能消耗,引入了轻量级锁和偏向锁,接下来我们将简单了解一下 Java 官方在 JVM 层面对 synchronized 锁的优化。

synchronized 的优化

锁的状态总共有四种,无锁状态、偏向锁、轻量级锁和重量级锁。随着锁的竞争,锁可以从偏向锁升级到轻量级锁,再升级的重量级锁,但是锁的升级是单向的,也就是说只能从低到高升级,不会出现锁的降级,关于重量级锁,前面我们已详细分析过,下面我们将介绍偏向锁和轻量级锁以及 JVM 的其他优化手段,这里并不打算深入到每个锁的实现和转换过程更多地是阐述 Java 虚拟机所提供的每个锁的核心优化思想,毕竟涉及到具体过程比较繁琐,如需了解详细过程可以查阅《深入理解Java虚拟机原理》。

偏向锁

偏向锁是 Java 6 之后加入的新锁,它是一种针对加锁操作的优化手段,经过研究发现,在大多数情况下,锁不仅不存在多线程竞争,而且总是由同一线程多次获得,因此为了减少同一线程获取锁(会涉及到一些 CAS 操作,耗时)的代价而引入偏向锁。偏向锁的核心思想是,如果一个线程获得了锁,那么锁就进入偏向模式,此时 Mark Word 的结构也变为偏向锁结构,当这个线程再次请求锁时,无需再做任何同步操作,即获取锁的过程,这样就省去了大量有关锁申请的操作,从而也就提供程序的性能。所以,对于没有锁竞争的场合,偏向锁有很好的优化效果,毕竟极有可能连续多次是同一个线程申请相同的锁。但是对于锁竞争比较激烈的场合,偏向锁就失效了,因为这样场合极有可能每次申请锁的线程都是不相同的,因此这种场合下不应该使用偏向锁,否则会得不偿失,需要注意的是,偏向锁失败后,并不会立即膨胀为重量级锁,而是先升级为轻量级锁。下面我们接着了解轻量级锁。

轻量级锁

倘若偏向锁失败,虚拟机并不会立即升级为重量级锁,它还会尝试使用一种称为轻量级锁的优化手段(1.6之后加入的),此时 Mark Word 的结构也变为轻量级锁的结构。轻量级锁能够提升程序性能的依据是“对绝大部分的锁,在整个同步周期内都不存在竞争”,注意这是经验数据。需要了解的是,轻量级锁所适应的场景是线程交替执行同步块的场合,如果存在同一时间访问同一锁的场合,就会导致轻量级锁膨胀为重量级锁。

  • 加锁

    线程在执行同步块之前,JVM 会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间,并将对象头中的 Mark Word 复制到锁记录中,官方称为 Displaced Mark Word。然后线程尝试使用 CAS 将对象头中的 Mark Word 替换为指向锁记录的指针。如果成功,当前线程获得锁,如果失败,则自旋获取锁,当自旋获取锁仍然失败时,表示存在其他线程竞争锁(两条或两条以上的线程竞争同一个锁),则轻量级锁会膨胀成重量级锁。

  • 解锁

    轻量级解锁时,会使用原子的 CAS 操作来将 Displaced Mark Word 替换回到对象头,如果成功,则表示同步过程已完成。如果失败,表示有其他线程尝试过获取该锁,则要在释放锁的同时唤醒被挂起的线程。

自旋锁

轻量级锁失败后,虚拟机为了避免线程真实地在操作系统层面挂起,还会进行一项称为自旋锁的优化手段。这是基于在大多数情况下,线程持有锁的时间都不会太长,如果直接挂起操作系统层面的线程可能会得不偿失,毕竟操作系统实现线程之间的切换时需要从用户态转换到核心态,这个状态之间的转换需要相对比较长的时间,时间成本相对较高,因此自旋锁会假设在不久将来,当前的线程可以获得锁,因此虚拟机会让当前想要获取锁的线程做几个空循环(这也是称为自旋的原因),一般不会太久,可能是 50 个循环或 100 个循环,在经过若干次循环后,如果得到锁,就顺利进入临界区。如果还不能获得锁,那就会将线程在操作系统层面挂起,这就是自旋锁的优化方式,这种方式确实也是可以提升效率的。最后没办法也就只能升级为重量级锁了。

锁消除

消除锁是虚拟机另外一种锁的优化,这种优化更彻底,Java 虚拟机在 JIT 编译时(可以简单理解为当某段代码即将第一次被执行时进行编译,又称即时编译),通过对运行上下文的扫描,去除不可能存在共享资源竞争的锁,通过这种方式消除没有必要的锁,可以节省毫无意义的请求锁时间,如下 StringBuffer 的 append 是一个同步方法,但是在 add 方法中的 StringBuffer 属于一个局部变量,并且不会被其他线程所使用,因此 StringBuffer 不可能存在共享资源竞争的情景,JVM 会自动将其锁消除。

public class StringBufferRemoveSync {

    public void add(String str1, String str2) {
        //StringBuffer是线程安全,由于sb只会在append方法中使用,不可能被其他线程引用
        //因此sb属于不可能共享的资源,JVM会自动消除内部的锁
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        sb.append(str1).append(str2);
    }

    public static void main(String[] args) {
        StringBufferRemoveSync rmsync = new StringBufferRemoveSync();
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
            rmsync.add("abc", "123");
        }
    }

}

3. 其他重点

synchronized 的可重用性

从互斥锁的设计上来说,当一个线程试图操作一个由其他线程持有的对象锁的临界资源时,将会处于阻塞状态,但当一个线程再次请求自己持有对象锁的临界资源时,这种情况属于重入锁,请求将会成功,在 java 中 synchronized 是基于原子性的内部锁机制,是可重入的,因此在一个线程调用 synchronized 方法的同时在其方法体内部调用该对象另一个 synchronized 方法,也就是说一个线程得到一个对象锁后再次请求该对象锁,是允许的,这就是 synchronized 的可重入性。如下:

public class AccountingSync implements Runnable{
    static AccountingSync instance=new AccountingSync();
    static int i=0;
    static int j=0;
    @Override
    public void run() {
        for(int j=0;j<1000000;j++){

            //this,当前实例对象锁
            synchronized(this){
                i++;
                increase();//synchronized的可重入性
            }
        }
    }

    public synchronized void increase(){
        j++;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1=new Thread(instance);
        Thread t2=new Thread(instance);
        t1.start();t2.start();
        t1.join();t2.join();
        System.out.println(i);
    }
}

正如代码所演示的,在获取当前实例对象锁后进入 synchronized 代码块执行同步代码,并在代码块中调用了当前实例对象的另外一个 synchronized 方法,再次请求当前实例锁时,将被允许,进而执行方法体代码,这就是重入锁最直接的体现,需要特别注意另外一种情况,当子类继承父类时,子类也是可以通过可重入锁调用父类的同步方法。注意由于 synchronized 是基于 monitor 实现的,因此每次重入,monitor 中的计数器仍会加1。

中断与 synchronized

中断

正如中断二字所表达的意义,在线程运行(run方法)中间打断它,Java 中,提供了以下 3 个有关线程中断的方法:

//中断线程(实例方法)
public void Thread.interrupt();

//判断线程是否被中断(实例方法)
public boolean Thread.isInterrupted();

//判断是否被中断并清除当前中断状态(静态方法)
public static boolean Thread.interrupted();

当一个线程处于被阻塞状态或者试图执行一个阻塞操作时,使用 Thread.interrupt() 方式中断该线程,注意此时将会抛出一个 InterruptedException 的异常,同时中断状态将会被复位(由中断状态改为非中断状态),如下代码将演示该过程:

public class InterruputSleepThread3 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                //while在try中,通过异常中断就可以退出run循环
                try {
                    while (true) {
                        //当前线程处于阻塞状态,异常必须捕捉处理,无法往外抛出
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    System.out.println("Interruted When Sleep");
                    boolean interrupt = this.isInterrupted();
                    //中断状态被复位
                    System.out.println("interrupt:"+interrupt);
                }
            }
        };
        t1.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        //中断处于阻塞状态的线程
        t1.interrupt();

        /**
         * 输出结果:
           Interruted When Sleep
           interrupt:false
         */
    }
}

如上述代码所示,我们创建一个线程,并在线程中调用了 sleep 方法从而使用线程进入阻塞状态,启动线程后,调用线程实例对象的 interrupt 方法中断阻塞异常,并抛出 InterruptedException 异常,此时中断状态也将被复位。除了阻塞中断的情景,我们还可能会遇到处于运行期且非阻塞的状态的线程,这种情况下,直接调用 Thread.interrupt() 中断线程是不会得到任响应的,如下代码,将无法中断非阻塞状态下的线程:

public class InterruputThread {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1=new Thread(){
            @Override
            public void run(){
                while(true){
                    System.out.println("未被中断");
                }
            }
        };
        t1.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        t1.interrupt();

        /**
         * 输出结果(无限执行):
             未被中断
             未被中断
             未被中断
             ......
         */
    }
}

虽然我们调用了interrupt方法,但线程t1并未被中断,因为处于非阻塞状态的线程需要我们手动进行中断检测并结束程序,改进后代码如下:

public class InterruputThread {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1=new Thread(){
            @Override
            public void run(){
                while(true){
                    //判断当前线程是否被中断
                    if (this.isInterrupted()){
                        System.out.println("线程中断");
                        break;
                    }
                }

                System.out.println("已跳出循环,线程中断!");
            }
        };
        t1.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        t1.interrupt();

        /**
         * 输出结果:
            线程中断
            已跳出循环,线程中断!
         */
    }
}

是的,我们在代码中使用了实例方法 isInterrupted 判断线程是否已被中断,如果被中断将跳出循环以此结束线程,注意非阻塞状态调用 interrupt() 并不会导致中断状态重置。综合所述,可以简单总结一下中断两种情况,一种是当线程处于阻塞状态或者试图执行一个阻塞操作时,我们可以使用实例方法 interrupt() 进行线程中断,执行中断操作后将会抛出 interruptException 异常(该异常必须捕捉无法向外抛出)并将中断状态复位,另外一种是当线程处于运行状态时,我们也可调用实例方法 interrupt() 进行线程中断,但同时必须手动判断中断状态,并编写中断线程的代码(其实就是结束run方法体的代码)。有时我们在编码时可能需要兼顾以上两种情况,那么就可以如下编写:

public void run(){
    try {
    //判断当前线程是否已中断,注意interrupted方法是静态的,执行后会对中断状态进行复位
    while (!Thread.interrupted()) {
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
    }
    } catch (InterruptedException e) {

    }
}

synchronized 中的中断

事实上线程的中断操作对于正在等待获取的锁对象的synchronized方法或者代码块并不起作用,也就是对于 synchronized 来说,如果一个线程在等待锁,那么结果只有两种,要么它获得这把锁继续执行,要么它就保存等待,即使调用中断线程的方法,也不会生效。演示代码如下:

public class SynchronizedBlocked implements Runnable{

    public synchronized void f() {
        System.out.println("Trying to call f()");
        while(true) // Never releases lock
            Thread.yield();
    }

    /**
     * 在构造器中创建新线程并启动获取对象锁
     */
    public SynchronizedBlocked() {
        //该线程已持有当前实例锁
        new Thread() {
            public void run() {
                f(); // Lock acquired by this thread
            }
        }.start();
    }
    public void run() {
        //中断判断
        while (true) {
            if (Thread.interrupted()) {
                System.out.println("中断线程!!");
                break;
            } else {
                f();
            }
        }
    }


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SynchronizedBlocked sync = new SynchronizedBlocked();
        Thread t = new Thread(sync);
        //启动后调用f()方法,无法获取当前实例锁处于等待状态
        t.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        //中断线程,无法生效
        t.interrupt();
    }
}

我们在 SynchronizedBlocked 构造函数中创建一个新线程并启动获取调用 f() 获取到当前实例锁,由于 SynchronizedBlocked 自身也是线程,启动后在其 run 方法中也调用了 f(),但由于对象锁被其他线程占用,导致 t 线程只能等到锁,此时我们调用了 t.interrupt(); 但并不能中断线程。

等待唤醒机制与synchronized

所谓等待唤醒机制本篇主要指的是 notify/notifyAll 和 wait 方法,在使用这3个方法时,必须处于 synchronized 代码块或者 synchronized 方法中,否则就会抛出 IllegalMonitorStateException 异常,这是因为调用这几个方法前必须拿到当前对象的监视器 monitor 对象,也就是说 notify/notifyAll 和 wait 方法依赖于 monitor 对象,在前面的分析中,我们知道 monitor 存在于对象头的 Mark Word 中(存储 monitor 引用指针),而 synchronized 关键字可以获取 monitor ,这也就是为什么 notify/notifyAll 和 wait 方法必须在 synchronized 代码块或者 synchronized 方法调用的原因。

需要特别理解的一点是,与 sleep 方法不同的是 wait 方法调用完成后,线程将被暂停,但 wait 方法将会释放当前持有的监视器锁(monitor),直到有线程调用 notify/notifyAll 方法后方能继续执行,而 sleep 方法只让线程休眠并不释放锁。同时 notify/notifyAll 方法调用后,并不会马上释放监视器锁,而是在相应的 synchronized(){}/synchronized 方法执行结束后才自动释放锁。

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