为什么存在等待 - 通知机制（三）

细粒度锁的代价

上一章说到，用不同的锁对受保护资源进行精细化管理，使用细粒度锁可以提高并行度，是性能优化的一个重要手段。然而，天底下没有免费的午餐。使用细粒度锁是有代价的，这个代价就是可能会导致死锁。

// 经典的一个转账例子 ，会导致死锁
class Account {
  private int balance;
  // 转账
  void transfer(Account target, int amt){
    // 锁定转出账户
    synchronized(this) {              
      // 锁定转入账户
      synchronized(target) {           
        if (this.balance > amt) {
          this.balance -= amt;
          target.balance += amt;
        }
      }
    }
  } 
}

死锁的一个比较专业的定义是：一组互相竞争资源的线程因互相等待，导致“永久”阻塞的现象。

那如何预防呢？要避免死锁就需要分析死锁发生的条件，有个叫 Coffman 的牛人早就总结过了，只有以下这四个条件都发生时才会出现死锁：

互斥，共享资源 X 和 Y 只能被一个线程占用；
占有且等待，线程 T1 已经取得共享资源 X，在等待共享资源 Y 的时候，不释放共享资源 X；
不可抢占，其他线程不能强行抢占线程 T1 占有的资源；
循环等待，线程 T1 等待线程 T2 占有的资源，线程 T2 等待线程 T1 占有的资源，就是循环等待。

如何预防死锁

反过来分析，也就是说只要我们破坏其中一个，就可以成功避免死锁的发生。

其中，互斥这个条件我们没有办法破坏，因为我们用锁为的就是互斥。不过其他三个条件都是有办法破坏掉的，到底如何做呢？

对于“占用且等待”这个条件，我们可以一次性申请所有的资源，这样就不存在等待了。
```
// 一次性申请转出账户和转入账户，直到成功
while(!actr.apply(this, target))
```
对于“不可抢占”这个条件，占用部分资源的线程进一步申请其他资源时，如果申请不到，可以主动释放它占有的资源，这样不可抢占这个条件就破坏掉了。

synchronized 是做不到的。原因是 synchronized 申请资源的时候，如果申请不到，线程直接进入阻塞状态了，而线程进入阻塞状态，啥都干不了，也释放不了线程已经占有的资源。

不过在 SDK 层面还是解决了的，java.util.concurrent 这个包下面提供的 Lock 是可以轻松解决这个问题的
对于“循环等待”这个条件，可以靠按序申请资源来预防。所谓按序申请，是指资源是有线性顺序的，申请的时候可以先申请资源序号小的，再申请资源序号大的，这样线性化后自然就不存在循环了。（对资源进行排序，然后按序申请资源）

为什么存在等待 - 通知机制

前面提到，在破坏占用且等待条件的时候，可以一次性申请所以资源，通过死循环的方式来循环等待。

// 一次性申请转出账户和转入账户，直到成功
while(!actr.apply(this, target))

如果 apply() 操作耗时非常短，而且并发冲突量也不大时，这个方案还挺不错的，因为这种场景下，循环上几次或者几十次就能一次性获取转出账户和转入账户的锁了。

但是如果 apply() 操作耗时长，或者并发冲突量大的时候，循环等待这种方案就不适用了，因为在这种场景下，可能要循环上万次才能获取到锁，太消耗 CPU 了。

其实在这种场景下，最好的方案应该是：如果线程要求的条件（一次性申请所有资源）不满足，则线程阻塞自己，进入等待状态；当线程要求的条件（资源锁被释放）满足后，通知等待的线程重新执行。其中，使用线程阻塞的方式就能避免循环等待消耗 CPU 的问题。

就这样，等待 - 通知机制就出现了。

又比如，线程 A 首先获取互斥锁，当线程 A 要求的条件不满足时（该账户 A 余额不足，不能进行转账操作），此时释放互斥锁，进入等待状态；当要求的条件满足时（线程 B 转账给 A，余额充足，满足条件），通知等待的线程 A，重新获取互斥锁。

图解 synchronized 实现等待 - 通知机制

在 Java 语言里，等待 - 通知机制可以有多种实现方式，比如 Java 语言内置的 synchronized 配合 wait()、notify()、notifyAll() 这三个方法就能轻松实现。

如何用 synchronized 实现互斥锁，你应该已经很熟悉了。

在下面这个图里，左边有一个等待队列，同一时刻，只允许一个线程进入 synchronized 保护的临界区，当有一个线程进入临界区后，其他线程就只能进入图中左边的等待队列里等待。这个等待队列和互斥锁是一对一的关系，每个互斥锁都有自己独立的等待队列。

在并发程序中，当一个线程进入临界区后，由于某些条件不满足，需要进入等待状态，Java 对象的 wait() 方法就能够满足这种需求。如上图所示，当调用 wait() 方法后，当前线程就会被阻塞，并且进入到右边的等待队列中，这个等待队列也是互斥锁的等待队列。线程在进入等待队列的同时，会释放持有的互斥锁，线程释放锁后，其他线程就有机会获得锁，并进入临界区了。

当线程要求的条件满足时，该怎么通知这个等待的线程呢？

很简单，就是 Java 对象的 notify() 和 notifyAll() 方法。下图中大致描述了这个过程，当条件满足时调用 notify()，会通知等待队列（互斥锁的等待队列）中的线程，告诉它条件曾经满足过。
为什么说是曾经满足过呢？因为 notify() 只能保证在通知时间点，条件是满足的。而被通知线程的执行时间点和通知的时间点基本上不会重合，所以当线程执行的时候，很可能条件已经不满足了（保不齐有其他线程插队）。这一点需要格外注意。

除此之外，还有一个需要注意的点，被通知的线程要想重新执行，仍然需要获取到互斥锁（因为曾经获取的锁在调用 wait() 时已经释放了）。

上面我们一直强调 wait()、notify()、notifyAll() 方法操作的等待队列是互斥锁的等待队列，所以如果 synchronized 锁定的是 this，那么对应的一定是 this.wait()、this.notify()、this.notifyAll()；如果 synchronized 锁定的是 target，那么对应的一定是 target.wait()、target.notify()、target.notifyAll() 。而且 wait()、notify()、notifyAll() 这三个方法能够被调用的前提是已经获取了相应的互斥锁，所以我们会发现 wait()、notify()、notifyAll() 都是在 synchronized{} 内部被调用的。如果在 synchronized{}外部调用，或者在锁定的 this 中，用 target.wait() 调用的话，JVM 会抛出一个运行时异常：java.lang.IllegalMonitorStateException。

等待 - 通知机制是一种非常普遍的线程间协作的方式。工作中经常看到有同事使用轮询的方式来等待某个状态，其实很多情况下都可以用这等待 - 通知机制来优化。

为什么存在等待 - 通知机制（三）

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