锁——Java同步的基本思想

翻译人员: 铁锚
翻译时间: 2013年11月13日
原文链接: Monitors – The Basic Idea of Java synchronization

如果你上过操作系统课程,你就知道锁(Monitor)是操作系统同步的一个重要概念,在Java中的同步机制也是基于同样的思想.
1. 什么是锁定?
一个锁就如同一座大楼里面的一个特殊房间,这个特殊的房间同一时间只可以被一个客户(线程)所使用(就比如单人化妆间,不理解化妆间的可以搜索更衣)，当然,这个"房间"里通常会有一些数据,以及适量的代码。

图1

如果一个客户想要占用这个特殊的化妆间,他必须先到大厅(Hallway,Entry Set)去排队, 服务员(调度程序)将会依据某种标准(比如,先来后到,FIFO)选出一个客户去使用.如果客户由于某种原因(如等待...)想暂停使用,将会被带到等候室,并在一定时间后的特定时间被再次调度.

图2

总的来说,锁是一种功能单元(facility),监控各个线程对特殊资源的访问,确保只有一个线程可以访问被保护的数据和代码。
2. Java如何实现锁?
在Java虚拟机中,理论上每个对象和类(class对象)都关联了一把锁.要实现互斥(mutual exclusion)锁功能, 每个锁(lock,有时称为mutex)关联到每个对象/类.在操作系统书籍中这叫做信号量(semaphore),互斥锁(mutex)是一个二进制信号量.
如果某个线程持有了一个锁的某些资源,那么其他所有线程都不能获得这个锁及相关的资源,除非这个线程放开对锁的使用权.但我们在进行多线程编程时,如果一直都是我们手工去控制这个信号量,那肯定是非常麻烦和不安全的,幸好JVM自动帮我们处理了这种麻烦。
要锁住某个范围的代码和数据,意味着这些数据不能同时被多个线程访问,Java支持 synchronized 语句和 synchronized 方法.一旦某部分代码被 synchronized 包装,那么这段范围就是锁定的范围。锁(lock)由JVM在后台自动实现.
3. 在Java同步代码中,锁住的是哪部分?
我们知道每个对象/类都关联着一把锁. 我觉得每个对象都是一把锁是个很恰当的说法,因为每个对象都有自己的关键部分,并可以监控线程顺序.
要让不同的线程进行协作,Java 提供了wait()方法来暂停线程自身,Object提供notify()方法来唤醒等待此对象(通知)的另一个线程.共有以下3个方法:

wait(long timeout, int nanos)
wait(long timeout) //被另一个线程唤醒,或者超时自动唤醒.
notify(all)

这3个方法只能在同步代码块或者同步方法内部调用。原因是如果一个方法不需要互斥,就没必要锁定或线程间协作,每个线程都可以自由地调用此方法。
同步代码示例: Java Thread: notify() and wait() examples
参考文档:
1. Java Doc for Object
2. Thread synchronization
3. Locks and Synchronization
4. notify() vs notifyAll()

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