雖然許多同步器（如鎖，信號量，阻塞隊列等）功能上各不相同，但它們的內(nèi)部設(shè)計上卻差別不大。換句話說，它們內(nèi)部的的基礎(chǔ)部分是相同（或相似）的。了解這些基礎(chǔ)部件能在設(shè)計同步器的時候給我們大大的幫助。這就是本文要細(xì)說的內(nèi)容。
注：本文的內(nèi)容是哥本哈根信息技術(shù)大學(xué)一個由 Jakob Jenkov，Toke Johansen 和 Lars Bj?rn 參與的 M.Sc.學(xué)生項目的部分成果。在此項目期間我們咨詢 Doug Lea 是否知道類似的研究。有趣的是在開發(fā) Java 5 并發(fā)工具包期間他已經(jīng)提出了類似的結(jié)論。Doug Lea 的研究，我相信，在《Java Concurrency in Practice》一書中有描述。這本書有一章“剖析同步器”就類似于本文，但不盡相同。
大部分同步器都是用來保護某個區(qū)域（臨界區(qū)）的代碼，這些代碼可能會被多線程并發(fā)訪問。要實現(xiàn)這個目標(biāo)，同步器一般要支持下列功能：
并不是所有同步器都包含上述部分，也有些并不完全遵照上面的內(nèi)容。但通常你能從中發(fā)現(xiàn)這些部分的一或多個。
同步器中的狀態(tài)是用來確定某個線程是否有訪問權(quán)限。在 Lock 中，狀態(tài)是 boolean 類型的，表示當(dāng)前 Lock 對象是否處于鎖定狀態(tài)。在 BoundedSemaphore 中，內(nèi)部狀態(tài)包含一個計數(shù)器（int 類型）和一個上限（int 類型），分別表示當(dāng)前已經(jīng)獲取的許可數(shù)和最大可獲取的許可數(shù)。BlockingQueue 的狀態(tài)是該隊列中元素列表以及隊列的最大容量。
下面是 Lock 和 BoundedSemaphore 中的兩個代碼片段。
public class Lock{
//state is kept here
private boolean isLocked = false;
public synchronized void lock()
throws InterruptedException{
while(isLocked){
wait();
}
isLocked = true;
}
...
}public class BoundedSemaphore {
//state is kept here
private int signals = 0;
private int bound = 0;
public BoundedSemaphore(int upperBound){
this.bound = upperBound;
}
public synchronized void take() throws InterruptedException{
while(this.signals == bound) wait();
this.signal++;
this.notify();
}
...
}訪問條件決定調(diào)用 test-and-set-state 方法的線程是否可以對狀態(tài)進行設(shè)置。訪問條件一般是基于同步器狀態(tài)的。通常是放在一個 while 循環(huán)里，以避免虛假喚醒問題。訪問條件的計算結(jié)果要么是 true 要么是 false。
Lock 中的訪問條件只是簡單地檢查 isLocked 的值。根據(jù)執(zhí)行的動作是“獲取”還是“釋放”，BoundedSemaphore 實際上有兩個訪問條件。如果某個線程想“獲取”許可，將檢查 signals 變量是否達到上限；如果某個線程想“釋放”許可，將檢查 signals 變量是否為 0。
這里有兩個來自 Lock 和 BoundedSemaphore 的代碼片段，它們都有訪問條件。注意觀察條件是怎樣在 while 循環(huán)中檢查的。
public class Lock{
private boolean isLocked = false;
public synchronized void lock()
throws InterruptedException{
//access condition
while(isLocked){
wait();
}
isLocked = true;
}
...
}public class BoundedSemaphore {
private int signals = 0;
private int bound = 0;
public BoundedSemaphore(int upperBound){
this.bound = upperBound;
}
public synchronized void take() throws InterruptedException{
//access condition
while(this.signals == bound) wait();
this.signals++;
this.notify();
}
public synchronized void release() throws InterruptedException{
//access condition
while(this.signals == 0) wait();
this.signals--;
this.notify();
}
}一旦一個線程獲得了臨界區(qū)的訪問權(quán)限，它得改變同步器的狀態(tài)，讓其它線程阻塞，防止它們進入臨界區(qū)。換而言之，這個狀態(tài)表示正有一個線程在執(zhí)行臨界區(qū)的代碼。其它線程想要訪問臨界區(qū)的時候，該狀態(tài)應(yīng)該影響到訪問條件的結(jié)果。
在 Lock 中，通過代碼設(shè)置 isLocked = true 來改變狀態(tài)，在信號量中，改變狀態(tài)的是 signals–或 signals++;
這里有兩個狀態(tài)變化的代碼片段：
public class Lock{
private boolean isLocked = false;
public synchronized void lock()
throws InterruptedException{
while(isLocked){
wait();
}
//state change
isLocked = true;
}
public synchronized void unlock(){
//state change
isLocked = false;
notify();
}
}public class BoundedSemaphore {
private int signals = 0;
private int bound = 0;
public BoundedSemaphore(int upperBound){
this.bound = upperBound;
}
public synchronized void take() throws InterruptedException{
while(this.signals == bound) wait();
//state change
this.signals++;
this.notify();
}
public synchronized void release() throws InterruptedException{
while(this.signals == 0) wait();
//state change
this.signals--;
this.notify();
}
}一旦某個線程改變了同步器的狀態(tài)，可能需要通知其它等待的線程狀態(tài)已經(jīng)變了。因為也許這個狀態(tài)的變化會讓其它線程的訪問條件變?yōu)?true。
通知策略通常分為三種：
通知所有等待的線程非常簡單。所有等待的線程都調(diào)用的同一個對象上的 wait()方法，某個線程想要通知它們只需在這個對象上調(diào)用 notifyAll()方法。
通知等待線程中的任意一個也很簡單，只需將 notifyAll()調(diào)用換成 notify()即可。調(diào)用 notify 方法沒辦法確定喚醒的是哪一個線程，也就是“等待線程中的任意一個”。
有時候可能需要通知指定的線程而非任意一個等待的線程。例如，如果你想保證線程被通知的順序與它們進入同步塊的順序一致，或按某種優(yōu)先級的順序來通知。想要實現(xiàn)這種需求，每個等待的線程必須在其自有的對象上調(diào)用 wait()。當(dāng)通知線程想要通知某個特定的等待線程時，調(diào)用該線程自有對象的 notify()方法即可。饑餓和公平中有這樣的例子。
下面是通知策略的一個例子（通知任意一個等待線程）：
public class Lock{
private boolean isLocked = false;
public synchronized void lock()
throws InterruptedException{
while(isLocked){
//wait strategy - related to notification strategy
wait();
}
isLocked = true;
}
public synchronized void unlock(){
isLocked = false;
notify(); //notification strategy
}
}同步器中最常見的有兩種類型的方法，test-and-set 是第一種（set 是另一種）。Test-and-set 的意思是，調(diào)用這個方法的線程檢查訪問條件，如若滿足，該線程設(shè)置同步器的內(nèi)部狀態(tài)來表示它已經(jīng)獲得了訪問權(quán)限。
狀態(tài)的改變通常使其它試圖獲取訪問權(quán)限的線程計算條件狀態(tài)時得到 false 的結(jié)果，但并不一定總是如此。例如，在讀寫鎖中，獲取讀鎖的線程會更新讀寫鎖的狀態(tài)來表示它獲取到了讀鎖，但是，只要沒有線程請求寫鎖，其它請求讀鎖的線程也能成功。
test-and-set 很有必要是原子的，也就是說在某個線程檢查和設(shè)置狀態(tài)期間，不允許有其它線程在 test-and-set 方法中執(zhí)行。
test-and-set 方法的程序流通常遵照下面的順序：
下面的 ReadWriteLock 類的 lockWrite()方法展示了 test-and-set 方法。調(diào)用 lockWrite()的線程在檢查之前先設(shè)置狀態(tài)(writeRequests++)。然后檢查 canGrantWriteAccess()中的訪問條件，如果檢查通過，在退出方法之前再次設(shè)置內(nèi)部狀態(tài)。這個方法中沒有去通知等待線程。
public class ReadWriteLock{
private Map<Thread, Integer> readingThreads =
new HashMap<Thread, Integer>();
private int writeAccesses = 0;
private int writeRequests = 0;
private Thread writingThread = null;
...
public synchronized void lockWrite() throws InterruptedException{
writeRequests++;
Thread callingThread = Thread.currentThread();
while(! canGrantWriteAccess(callingThread)){
wait();
}
writeRequests--;
writeAccesses++;
writingThread = callingThread;
}
...
}下面的 BoundedSemaphore 類有兩個 test-and-set 方法：take()和 release()。兩個方法都有檢查和設(shè)置內(nèi)部狀態(tài)。
public class BoundedSemaphore {
private int signals = 0;
private int bound = 0;
public BoundedSemaphore(int upperBound){
this.bound = upperBound;
}
public synchronized void take() throws InterruptedException{
while(this.signals == bound) wait();
this.signals++;
this.notify();
}
public synchronized void release() throws InterruptedException{
while(this.signals == 0) wait();
this.signals--;
this.notify();
}
}set 方法
set 方法是同步器中常見的第二種方法。set 方法僅是設(shè)置同步器的內(nèi)部狀態(tài)，而不先做檢查。set 方法的一個典型例子是 Lock 類中的 unlock()方法。持有鎖的某個線程總是能夠成功解鎖，而不需要檢查該鎖是否處于解鎖狀態(tài)。
set 方法的程序流通常如下：
這里是 unlock()方法的一個例子：
public class Lock{
private boolean isLocked = false;
public synchronized void unlock(){
isLocked = false;
notify();
}
}
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