共享模型之管程

1.共享带来的问题

临界区 Critical Section

• 一个程序运行多个线程本身是没有问题的
• 问题出在多个线程访问共享资源
  • 多个线程读共享资源其实也没有问题
  • 在多个线程对共享资源读写操作时发生指令交错，就会出现问题
• 一段代码块内如果存在对共享资源的多线程读写操作，称这段代码块为临界区

例如，下面代码中的临界区

static int counter = 0;
static void increment() 
// 临界区
{ 
 counter++; }
static void decrement() 
// 临界区
{ 
 counter--; }

竞态条件 Race Condition

多个线程在临界区内执行，由于代码的执行序列不同而导致结果无法预测，称之为发生了竞态条件

synchronized 解决方案

应用之互斥
为了避免临界区的竞态条件发生，有多种手段可以达到目的。

• 阻塞式的解决方案：synchronized，Lock
• 非阻塞式的解决方案：原子变量

本次使用阻塞式的解决方案：synchronized，来解决上述问题，即俗称的【对象锁】，它采用互斥的方式让同一 时刻至多只有一个线程能持有【对象锁】，其它线程再想获取这个【对象锁】时就会阻塞住。这样就能保证拥有锁的线程可以安全的执行临界区内的代码，不用担心线程上下文切换

注意
虽然 java 中互斥和同步都可以采用 synchronized 关键字来完成，但它们还是有区别的：

• 互斥是保证临界区的竞态条件发生，同一时刻只能有一个线程执行临界区代码
• 同步是由于线程执行的先后、顺序不同、需要一个线程等待其它线程运行到某个点

Monitor 概念(监视器)

描述

Monitor其实是一种同步机制，他的义务是保证（同一时间）只有一个线程可以访问被保护的数据和代码。
JVM中同步是基于进入和退出监视器对象(Monitor,管程对象)来实现的，每个对象实例都会有一个Monitor对象，

 Object o = new Object();
new Thread(() -> {
    synchronized (o)
    {
    }
},"t1").start();

Monitor对象会和Java对象一同创建并销毁，它底层是由C++语言来实现的。

Java 对象头

以 32 位虚拟机为例

普通对象：

|———————————————————————————————|
|Object Header (64 bits) |
|——————————————————|————————————-|
|Mark Word (32 bits) |Klass Word (32 bits) |
|——————————————————|————————————-|

数组对象：

|————————————————————————————————————————-|
|Object Header (96 bits) |
|————————————————|———————————-|————————————|
|Mark Word(32bits) |Klass Word(32bits) |array length(32bits) |
|————————————————|———————————-|————————————|

其中 Mark Word 结构为

|———————————————————————————-|——————————|
|Mark Word (32 bits) |State|
|———————————————————————————-|——————————|
|hashcode:25| age:4 | biased_lock:0 | 01|Normal|
|———————————————————————————-|——————————|
|thread:23 | epoch:2 | age:4 | biased_lock:1 | 01|Biased|
|———————————————————————————-|——————————|
|ptr_to_lock_record:30| 00| Lightweight Locked |
|———————————————————————————-|——————————|
|ptr_to_heavyweight_monitor:30| 10| Heavyweight Locked |
|———————————————————————————-|——————————|
|| 11|Marked for GC|
|———————————————————————————-|——————————|

64 位虚拟机 Mark Word

|——————————————————————————————————|——————————|
|Mark Word (64 bits) |State|
|——————————————————————————————————|——————————|
| unused:25 | hashcode:31 | unused:1 | age:4 | biased_lock:0 | 01|Normal|
|——————————————————————————————————|——————————|
| thread:54 | epoch:2| unused:1 | age:4 | biased_lock:1 | 01|Biased|
|——————————————————————————————————|——————————|
|ptr_to_lock_record:62| 00| Lightweight Locked |
|——————————————————————————————————|——————————|
|ptr_to_heavyweight_monitor:62| 10| Heavyweight Locked |
|——————————————————————————————————|——————————|
|| 11|Marked for GC|
|——————————————————————————————————|——————————|

wait notify

API 介绍

• obj.wait() 让进入 object 监视器的线程到 waitSet 等待
• obj.notify() 在 object 上正在 waitSet 等待的线程中挑一个唤醒
• obj.notifyAll() 让 object 上正在 waitSet 等待的线程全部唤醒

它们都是线程之间进行协作的手段，都属于 Object 对象的方法。必须获得此对象的锁，才能调用这几个方法

    final static Object obj = new Object();
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            synchronized (obj) {
                log.debug("执行....");
                try {
                    obj.wait(); // 让线程在obj上一直等待下去
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                log.debug("其它代码....");
            }
        }).start();
        new Thread(() -> {
            synchronized (obj) {
                log.debug("执行....");
                try {
                    obj.wait(); // 让线程在obj上一直等待下去
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                log.debug("其它代码....");
            }
        }).start();
        // 主线程两秒后执行
        sleep(2);
        log.debug("唤醒 obj 上其它线程");
        synchronized (obj) {
            obj.notify(); // 唤醒obj上一个线程
            // obj.notifyAll(); // 唤醒obj上所有等待线程
        }
    }

notify 的一种结果

20:00:53.096 [Thread-0] c.TestWaitNotify - 执行.... 
20:00:53.099 [Thread-1] c.TestWaitNotify - 执行.... 
20:00:55.096 [main] c.TestWaitNotify - 唤醒 obj 上其它线程
20:00:55.096 [Thread-0] c.TestWaitNotify - 其它代码....

notifyAll 的结果

19:58:15.457 [Thread-0] c.TestWaitNotify - 执行.... 
19:58:15.460 [Thread-1] c.TestWaitNotify - 执行.... 
19:58:17.456 [main] c.TestWaitNotify - 唤醒 obj 上其它线程
19:58:17.456 [Thread-1] c.TestWaitNotify - 其它代码.... 
19:58:17.456 [Thread-0] c.TestWaitNotify - 其它代码....

wait() 方法会释放对象的锁，进入 WaitSet 等待区，从而让其他线程就机会获取对象的锁。无限制等待，直到
notify 为止
wait(long n) 有时限的等待, 到 n 毫秒后结束等待，或是被 notify

wait notify 的正确姿势

sleep(long n) 和 wait(long n) 的区别

1) sleep 是 Thread 方法，而 wait 是 Object 的方法
2) sleep 不需要强制和 synchronized 配合使用，但 wait 需要和 synchronized 一起用
3) sleep 在睡眠的同时，不会释放对象锁的，但 wait 在等待的时候会释放对象锁
4) 它们 状态 TIMED_WAITING

step 1

static final Object room = new Object();
static boolean hasCigarette = false;
static boolean hasTakeout = false;