多线程之Java线程阻塞与唤醒

线程的阻塞和唤醒在多线程并发过程中是一个关键点，当线程数量达到很大的数量级时，并发可能带来很多隐蔽的问题。如何正确暂停一个线程，暂停后又如何在一个要求的时间点恢复，这些都需要仔细考虑的细节。在Java发展史上曾经使用suspend()、resume()方法对于线程进行阻塞唤醒，但随之出现很多问题，比较典型的还是死锁问题。如下代码，主要的逻辑代码是主线程启动线程mt一段时间后尝试使用suspend()让线程挂起，最后使用resume()恢复线程。但现实并不如愿，执行到suspend()时将一直卡住，你等不来“canyou get here?”的输出。

public class ThreadSuspend {

public static voidmain(String[] args) {

     Thread mt = newMyThread();

     mt.start();

     try {

          Thread.currentThread().sleep(100);

     } catch(InterruptedException e) {

          e.printStackTrace();

     }

     mt.suspend();

     System.out.println("canyou get here?");

     mt.resume();

}

 

static class MyThreadextends Thread {

     public void run() {

          while (true) {

              System.out.println("running....");

          }

     }

}

}

产生上面所述现象其实是由死锁导致，看起来一点问题都没有，线程的任务仅仅只是简单地打印字符串，问题的根源隐藏得较深，主线程启动了线程mt后，线程mt开始执行execute()方法，不断打印字符串，问题正是出现在System.out.println，由于println被声明为一个同步方法，执行时将对System类的out（PrintStream类的一个实例）单例属性加同步锁，而suspend()方法挂起线程但并不释放锁，在线程mt被挂起后主线程调用System.out.println同样需要获取System类out对象的同步锁才能打印“can you get here?”，主线程一直在等待同步锁而mt线程不释放锁，这就导致了死锁的产生。

可见suspend和resume有死锁倾向，一不小心将导致很多问题，甚至导致整个系统崩溃。也许，解决方案可以使用以对象为目标的阻塞，即利用Object类的wait()和notify()方法实现线程阻塞。针对对象的阻塞编程思维需要稍微转化下，它与面向线程阻塞思维有较大差异，如前面的suspend与resume只需在线程内直接调用就能完成挂起恢复操作，这个很好理解，而如果改用wait、notify形式则通过一个object作为信号，可以看成是一堵门，object的wait()方法是锁门的动作，notify()是开门的动作，某一线程一旦关上门后其他线程都将阻塞，直到别的线程打开门。如图2-5-8-4，一个对象object调用wait()方法则像是堵了一扇门，线程一、线程二都将阻塞，线程三调用object的notify()方法打开门（准确说是调用了notifyAll()方法，notify()仅仅能让线程一或线程二其中一条线程通过），线程一、线程二得以通过。

图2-5-8-4

使用wait和notify能规避死锁问题，但并不能完全避免，必须在编程过程中避免死锁。在使用过程中需要注意的几点是：首先，wait、notify方法是针对对象的，调用任意对象的wait()方法都将导致线程阻塞，阻塞的同时也将释放该对象的锁，相应地，调用任意对象的notify()方法则将随机解除该对象阻塞的线程，但它需要重新获取改对象的锁，直到获取成功才能往下执行；其次，wait、notify方法必须在synchronized块或方法中被调用，并且要保证同步块或方法的锁对象与调用wait、notify方法的对象是同一个，如此一来在调用wait之前当前线程就已经成功获取某对象的锁，执行wait阻塞后当前线程就将之前获取的对象锁释放。当然假如你不按照上面规定约束编写，程序一样能通过编译，但运行时将抛出IllegalMonitorStateException异常，必须在编写时保证用法正确；最后，notify是随机唤醒一条阻塞中的线程并让之获取对象锁，进而往下执行，而notifyAll则是唤醒阻塞中的所有线程，让他们去竞争该对象锁，获取到锁的那条线程才能往下执行。

通过wait、notify改造上面的例子，代码如下，改造的思想就是在MyThread中添加一个标识变量，一旦变量改变就相应地调用wait和notify阻塞唤醒线程，由于在执行wait后将释放synchronized (this)锁住的对象锁，此时System.out.println("running....");早已执行完毕，System类out对象不存在死锁问题。

publicclass ThreadWait {

     public static void main(String[] args) {

         MyThread mt = new MyThread();

         mt.start();

         try {

              Thread.currentThread().sleep(10);

         } catch (InterruptedException e) {

              e.printStackTrace();

         }

         mt.suspendThread();

         System.out.println("can you gethere?");

         try {

              Thread.currentThread().sleep(3000);

         } catch (InterruptedException e) {

              e.printStackTrace();

         }

         mt.resumeThread();

     }

}

 

classMyThread extends Thread {

     public boolean stop = false;

     public void run() {

         while (true) {

              synchronized (this) {

                   System.out.println("running....");

                   if (stop)

                       try {

                            wait();

                       } catch(InterruptedException e) {

                            e.printStackTrace();

                       }

              }

         }

     }

 

     public void suspendThread() {

         this.stop = true;

     }

 

     public void resumeThread() {

         synchronized (this) {

              this.stop = false;

              notify();

          }

     }

}

wait与notify组合的方式看起来是个不错的解决方式，但其面向的主体是对象object，阻塞的是当前线程，而唤醒的是随机的某个线程或所有线程，偏重于线程之间的通信交互。假如换个角度，面向的主体是线程的话，我就能轻而易举地对指定的线程进行阻塞唤醒，这个时候就需要LockSupport，它提供的park和unpark方法分别用于阻塞和唤醒，而且它提供避免死锁和竞态条件，很好地代替suspend和resume组合。用park和unpark改造上述例子，代码如下：

public class ThreadPark {

public static voidmain(String[] args) {

           MyThreadmt = new MyThread();

           mt.start();

           try {

                    Thread.currentThread().sleep(10);

           } catch(InterruptedException e) {

                    e.printStackTrace();

           }

           mt.park();

           System.out.println("canyou get here?");

           try {

                    Thread.currentThread().sleep(3000);

           } catch(InterruptedException e) {

                    e.printStackTrace();

           }

           mt.unPark();

}

 

static classMyThread extends Thread {

           privateboolean isPark=false;

           publicvoid run() {

                    while(true) {

                             if(isPark)

                                       LockSupport.park();

                             System.out.println("running....");

                    }

           }

    public void park(){

    isPark=true;

    }

    public void unPark(){

    isPark=false;

     LockSupport.unpark(this);

    }

}

}

把主体换成线程进行的阻塞看起来貌似比较顺眼，而且由于park与unpark方法控制的颗粒度更加细小，能准确决定线程在某个点停止，进而避免死锁的产生，例如此例中在执行System.out.println前线程就被阻塞了，于是不存在因竞争System类out对象而产生死锁，即便在执行System.out.println后线程才阻塞也不存在死锁问题，因为锁已释放。

LockSupport类为线程阻塞唤醒提供了基础，同时，在竞争条件问题上，它具有wait和notify无可比拟的优势。使用wait和notify组合时，某一线程在被另一线程notify之前必须要保证此线程已经执行到wait等待点，错过notify则可能永远都在等待，另外notify也不能保证唤醒指定的某线程。反观LockSupport，由于park与unpark引入了许可机制，许可逻辑为：①park将许可在等于0的时候阻塞，等于1的时候返回并将许可减为0；②unpark尝试唤醒线程，许可加1。根据这两个逻辑，对于同一条线程，park与unpark先后操作的顺序似乎并不影响程序正确地执行，假如先执行unpark操作，许可则为1，之后再执行park操作，此时因为许可等于1直接返回往下执行，并不执行阻塞操作。

最后，LockSupport的park与unpark组合真正解耦了线程之间的同步，不再需要另外的对象变量存储状态，并且也不需要考虑同步锁，wait与notify要保证必须有锁才能执行，而且执行notify操作释放锁后还要将当前线程扔进该对象锁的等待队列，LockSupport则完全不用考虑对象、锁、等待队列等问题。