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JVM源码分析之Object.wait/notify(All)完全解读

概述

本文其实一直都想写,因为各种原因一直拖着没写,直到开公众号的第一天,有朋友再次问到这个问题,这次让我静心下来准备写下这篇文章,本文有些东西是我自己的理解,比如为什么JDK一开始要这么设计,初衷是什么,没怎么去找相关资料,所以只能谈谈自己的理解,所以大家看到文章之后可以谈谈自己的看法,对于实现部分我倒觉得说清楚问题不大,code is here,看明白了就知道怎么回事了。

Object.wait/notify(All)大家都知道主要是协同线程处理的,大家用得也很多,大概逻辑和下面的用法差不多

    new Thread(){         public void run(){             synchronized (lock){                 try{                     lock.wait();                 }catch (InterruptedException e){                     e.printStackTrace();                 }             }         }     }.start();      new Thread(){         public void run(){             synchronized (lock){                 lock.notify();             }         }     }.start();

看到上面代码,你会有什么疑惑吗?至少我会有几个问题会问自己:

  • 为什么进入wait和notify的时候要加synchronized锁
  • 既然加了synchronized锁,那当某个线程调用了wait的时候明明还在synchronized块里,其他线程怎么进入到锁里去执行notify的
  • 为什么wait方法可能会抛出InterruptedException异常
  • 如果有多个线程都进入wait状态,那某个线程调用notify唤醒线程时是否按照顺序唤起那些wait线程
  • wait的线程是在某个线程执行完notify之后立马就被唤起吗
  • notifyAll又是怎么实现全唤起的
  • wait的线程是否会影响load

如果上面这些问题也都是你想了解的,那这篇文章或许能给你一个答案。

为何要加synchronized锁

从实现上来说,这个锁至关重要,正因为这把锁,才能让整个wait/notify玩转起来,当然我觉得其实通过其他的方式也可以实现类似的机制,不过hotspot至少是完全依赖这把锁来实现wait/notify的。

如果要我们来实现这种机制我们会怎么去做,我们知道wait/notify是为了线程间协作而设计的,当我们执行wait的时候让线程挂起,当执行notify的时候唤醒其中一个挂起的线程,那需要有个地方来保存对象和线程之间的映射关系(可以想象一个map,key是对象,value是一个线程列表),当调用这个对象的wait方法时,将当前线程放到这个线程列表里,当调用这个对象的notify方法时从这个线程列表里取出一个来让其继续执行,这样看来是可行的,也比较简单,那现在的问题这种映射关系放到哪里。而synchronized正好也是为线程间协作而设计的,上面碰到的问题它也要解决,或许正因为这样wait和notify的实现就直接依赖synchronzied(monitorenter/monitorexit是jvm规范里要求要去实现的)来实现了,这只是我的理解,可能初衷不是这个原因,这其实也是这篇文章迟迟未写的一个原因吧,因为我无法取证自己的理解是对的,欢迎各位在这块谈谈自己的见解。

wait方法执行后未退出同步块,其他线程如何进入同步块

这个问题其实要回答很简单,因为在wait处理过程中会临时释放同步锁,不过需要注意的是当某个线程调用notify唤起了这个线程的时候,在wait方法退出之前会重新获取这把锁,只有获取了这把锁才会继续执行,想象一下,我们知道wait的方法是被monitorenter和monitorexit包围起来,当我们在执行wait方法过程中如果释放了锁,出来的时候又不拿锁,那在执行到monitorexit指令的时候会发生什么?当然这可以做兼容,不过这实现起来还是很奇怪的。

为什么wait方法可能抛出InterruptedException异常

这个异常大家应该都知道,当我们调用了某个线程的interrupt方法时,对应的线程会抛出这个异常,wait方法也不希望破坏这种规则,因此就算当前线程因为wait一直在阻塞,当某个线程希望它起来继续执行的时候,它还是得从阻塞态恢复过来,因此wait方法被唤醒起来的时候会去检测这个状态,当有线程interrupt了它的时候,它就会抛出这个异常从阻塞状态恢复过来。

这里有两点要注意:

  • 如果被interrupt的线程只是创建了,并没有start,那等他start之后进入wait态之后也是不能会恢复的
  • 如果被interrupt的线程已经start了,在进入wait之前,如果有线程调用了其interrupt方法,那这个wait等于什么都没做,会直接跳出来,不会阻塞

被notify(All)的线程有规律吗

这里要分情况:

  • 如果是通过notify来唤起的线程,那先进入wait的线程会先被唤起来
  • 如果是通过nootifyAll唤起的线程,默认情况是最后进入的会先被唤起来,即LIFO的策略

notify执行之后立马唤醒线程吗

其实这个大家可以验证一下,在notify之后写一些逻辑,看这些逻辑是在其他线程被唤起之前还是之后执行,这个是个细节问题,可能大家并没有关注到这个,其实hotspot里真正的实现是退出同步块的时候才会去真正唤醒对应的线程,不过这个也是个默认策略,也可以改的,在notify之后立马唤醒相关线程。

notifyAll是怎么实现全唤起的

或许大家立马想到这个简单,一个for循环就搞定了,不过在jvm里没实现这么简单,而是借助了monitorexit,上面我提到了当某个线程从wait状态恢复出来的时候,要先获取锁,然后再退出同步块,所以notifyAll的实现是调用notify的线程在退出其同步块的时候唤醒起最后一个进入wait状态的线程,然后这个线程退出同步块的时候继续唤醒其倒数第二个进入wait状态的线程,依次类推,同样这这是一个策略的问题,jvm里提供了挨个直接唤醒线程的参数,不过都很罕见就不提了。

wait的线程是否会影响load

这个或许是大家比较关心的话题,因为关乎系统性能问题,wait/nofity是通过jvm里的park/unpark机制来实现的,在linux下这种机制又是通过pthread_cond_wait/pthread_cond_signal来玩的,因此当线程进入到wait状态的时候其实是会放弃cpu的,也就是说这类线程是不会占用cpu资源。

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