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什麼導致執行緒阻塞

執行緒的阻塞

為了解決對共享儲存區的訪問衝突,Java 引入了同步機制,現在讓我們來考察多個執行緒對共享資源的訪問,顯然同步機制已經不夠了,因為在任意時刻所要求的資源不一定已經準備好了被訪問,反過來,同一時刻準備好了的資源也可能不止一個。為了解決這種情況下的訪問控制問題,Java 引入了對阻塞機制的支援.

阻塞指的是暫停一個執行緒的執行以等待某個條件發生(如某資源就緒),學過作業系統的同學對它一定已經很熟悉了。Java 提供了大量方法來支援阻塞,下面讓我們逐一分析。

  1. sleep() 方法:sleep() 允許 指定以毫秒為單位的一段時間作為引數,它使得執行緒在指定的時間內進入阻塞狀態,不能得到CPU 時間,指定的時間一過,執行緒重新進入可執行狀態。 典型地,sleep() 被用在等待某個資源就緒的情形:測試發現條件不滿足後,讓執行緒阻塞一段時間後重新測試,直到條件滿足為止。
  2. suspend() 和 resume() 方法:兩個方法配套使用,suspend()使得執行緒進入阻塞狀態,並且不會自動恢復,必須其對應的resume() 被呼叫,才能使得執行緒重新進入可執行狀態。典型地,suspend() 和 resume() 被用在等待另一個執行緒產生的結果的情形:測試發現結果還沒有產生後,讓執行緒阻塞,另一個執行緒產生了結果後,呼叫 resume() 使其恢復。
  3. yield() 方法:yield() 使得執行緒放棄當前分得的 CPU 時間,但是不使執行緒阻塞,即執行緒仍處於可執行狀態,隨時可能再次分得 CPU 時間。呼叫 yield() 的效果等價於排程程式認為該執行緒已執行了足夠的時間從而轉到另一個執行緒.
  4. wait() 和 notify() 方法:兩個方法配套使用,wait() 使得執行緒進入阻塞狀態,它有兩種形式,一種允許 指定以毫秒為單位的一段時間作為引數,另一種沒有引數,前者當對應的 notify() 被呼叫或者超出指定時間時執行緒重新進入可執行狀態,後者則必須對應的 notify() 被呼叫.

初看起來它們與 suspend() 和 resume() 方法對沒有什麼分別,但是事實上它們是截然不同的。區別的核心在於,前面敘述的所有方法,阻塞時都不會釋放佔用的鎖(如果佔用了的話),而這一對方法則相反。

上述的核心區別導致了一系列的細節上的區別。

首先,前面敘述的所有方法都隸屬於 Thread 類,但是這一對卻直接隸屬於 Object 類,也就是說,所有物件都擁有這一對方法。初看起來這十分不可思議,但是實際上卻是很自然的,因為這一對方法阻塞時要釋放佔用的鎖,而鎖是任何物件都具有的,呼叫任意物件的 wait() 方法導致執行緒阻塞,並且該物件上的鎖被釋放。而呼叫 任意物件的notify()方法則導致因呼叫該物件的 wait() 方法而阻塞的執行緒中隨機選擇的一個解除阻塞(但要等到獲得鎖後才真正可執行)。

其次,前面敘述的所有方法都可在任何位置呼叫,但是這一對方法卻必須在 synchronized 方法或塊中呼叫,理由也很簡單,只有在synchronized 方法或塊中當前執行緒才佔有鎖,才有鎖可以釋放。同樣的道理,呼叫這一對方法的物件上的鎖必須為當前執行緒所擁有,這樣才有鎖可以釋放。因此,這一對方法呼叫必須放置在這樣的 synchronized 方法或塊中,該方法或塊的上鎖物件就是呼叫這一對方法的物件。若不滿足這一條件,則程式雖然仍能編譯,但在執行時會出現IllegalMonitorStateException 異常。

wait() 和 notify() 方法的上述特性決定了它們經常和synchronized 方法或塊一起使用,將它們和作業系統的程序間通訊機制作一個比較就會發現它們的相似性:synchronized方法或塊提供了類似於作業系統原語的功能,它們的執行不會受到多執行緒機制的干擾,而這一對方法則相當於 block 和wakeup 原語(這一對方法均宣告為 synchronized)。它們的結合使得我們可以實現作業系統上一系列精妙的程序間通訊的演算法(如訊號量演算法),並用於解決各種複雜的執行緒間通訊問題。

關於 wait() 和 notify() 方法最後再說明兩點:

第一:呼叫 notify() 方法導致解除阻塞的執行緒是從因呼叫該物件的 wait() 方法而阻塞的執行緒中隨機選取的,我們無法預料哪一個執行緒將會被選擇,所以程式設計時要特別小心,避免因這種不確定性而產生問題。

第二:除了 notify(),還有一個方法 notifyAll() 也可起到類似作用,唯一的區別在於,呼叫 notifyAll() 方法將把因呼叫該物件的 wait() 方法而阻塞的所有執行緒一次性全部解除阻塞。當然,只有獲得鎖的那一個執行緒才能進入可執行狀態。

談到阻塞,就不能不談一談死鎖,略一分析就能發現,suspend() 方法和不指定超時期限的 wait() 方法的呼叫都可能產生死鎖。遺憾的是,Java 並不在語言級別上支援死鎖的避免,我們在程式設計中必須小心地避免死鎖。

以上我們對 Java 中實現執行緒阻塞的各種方法作了一番分析,我們重點分析了 wait() 和 notify() 方法,因為它們的功能最強大,使用也最靈活,但是這也導致了它們的效率較低,較容易出錯。實際使用中我們應該靈活使用各種方法,以便更好地達到我們的目的。