19、Java並發性和多線程-嵌套管程鎖死

以下內容轉自http://ifeve.com/nested-monitor-lockout/：

嵌套管程鎖死類似於死鎖， 下面是一個嵌套管程鎖死的場景：

線程1獲得A對象的鎖。
線程1獲得對象B的鎖（同時持有對象A的鎖）。
線程1決定等待另一個線程的信號再繼續。
線程1調用B.wait()，從而釋放了B對象上的鎖，但仍然持有對象A的鎖。

線程2需要同時持有對象A和對象B的鎖，才能向線程1發信號。
線程2無法獲得對象A上的鎖，因為對象A上的鎖當前正被線程1持有。
線程2一直被阻塞，等待線程1釋放對象A上的鎖。

線程1一直阻塞，等待線程2的信號，因此，不會釋放對象A上的鎖， 而線程2需要對象A上的鎖才能給線程1發信號……

你可以能會說，這是個空想的場景，好吧，讓我們來看看下面這個比較挫的Lock實現：

//lock implementation with nested monitor lockout problem
public class Lock{
    protected MonitorObject monitorObject = new MonitorObject();
    protected boolean isLocked = false;

    public void lock() throws InterruptedException{
        synchronized(this){
            while(isLocked){
                synchronized(this.monitorObject){
                    this.monitorObject.wait();
                }
            }
            isLocked = true;
        }
    }

    public void unlock(){
        synchronized(this){
            this.isLocked = false;
            synchronized(this.monitorObject){
                this.monitorObject.notify();
            }
        }
    }
}

可以看到，lock()方法首先在”this”上同步，然后在monitorObject上同步。如果isLocked等於false，因為線程不會繼續調用monitorObject.wait()，那么一切都沒有問題 。但是如果isLocked等於true，調用lock()方法的線程會在monitorObject.wait()上阻塞。

這里的問題在於，調用monitorObject.wait()方法只釋放了monitorObject上的管程對象，而與”this“關聯的管程對象並沒有釋放。換句話說，這個剛被阻塞的線程仍然持有”this”上的鎖。

（校對注：如果一個線程持有這種Lock的時候另一個線程執行了lock操作）當一個已經持有這種Lock的線程想調用unlock()，就會在unlock()方法進入synchronized(this)塊時阻塞。這會一直阻塞到在lock()方法中等待的線程離開synchronized(this)塊。但是，在unlock中isLocked變為false，monitorObject.notify()被執行之后，lock()中等待的線程才會離開synchronized(this)塊。）

簡而言之，在lock方法中等待的線程需要其它線程成功調用unlock方法來退出lock方法，但是，在lock()方法離開外層同步塊之前，沒有線程能成功執行unlock()。

結果就是，任何調用lock方法或unlock方法的線程都會一直阻塞。這就是嵌套管程鎖死。

一個更現實的例子

你可能會說，這么挫的實現方式我怎么可能會做呢？你或許不會在里層的管程對象上調用wait或notify方法，但完全有可能會在外層的this上調。

有很多類似上面例子的情況。例如，如果你准備實現一個公平鎖。你可能希望每個線程在它們各自的QueueObject上調用wait()，這樣就可以每次喚醒一個線程。

下面是一個比較挫的公平鎖實現方式：

//Fair Lock implementation with nested monitor lockout problem
public class FairLock {
    private boolean isLocked = false;
    private Thread lockingThread = null;
    private List waitingThreads = new ArrayList();

    public void lock() throws InterruptedException{
        QueueObject queueObject = new QueueObject();

        synchronized(this){
            waitingThreads.add(queueObject);

            while(isLocked || waitingThreads.get(0) != queueObject){

                synchronized(queueObject){
                    try{
                        queueObject.wait();
                    }catch(InterruptedException e){
                        waitingThreads.remove(queueObject);
                        throw e;
                    }
                }
            }
            waitingThreads.remove(queueObject);
            isLocked = true;
            lockingThread = Thread.currentThread();
        }
    }

    public synchronized void unlock(){
        if(this.lockingThread != Thread.currentThread()){
            throw new IllegalMonitorStateException("Calling thread has not locked this lock");
        }
        isLocked = false;
        lockingThread = null;
        if(waitingThreads.size() > 0){
            QueueObject queueObject = waitingThread.get(0);
            synchronized(queueObject){
                queueObject.notify();
            }
        }
    }
}

乍看之下，嗯，很好，但是請注意lock方法是怎么調用queueObject.wait()的，在方法內部有兩個synchronized塊，一個鎖定this，一個嵌在上一個synchronized塊內部，它鎖定的是局部變量queueObject。

當一個線程調用queueObject.wait()方法的時候，它僅僅釋放的是在queueObject對象實例的鎖，並沒有釋放”this”上面的鎖。

現在我們還有一個地方需要特別注意， unlock方法被聲明成了synchronized，這就相當於一個synchronized（this）塊。這就意味着，如果一個線程在lock()中等待，該線程將持有與this關聯的管程對象。所有調用unlock()的線程將會一直保持阻塞，等待着前面那個已經獲得this鎖的線程釋放this鎖，但這永遠也發生不了，因為只有某個線程成功地給lock()中等待的線程發送了信號，this上的鎖才會釋放，但只有執行unlock()方法才會發送這個信號。

因此，上面的公平鎖的實現會導致嵌套管程鎖死。更好的公平鎖實現方式可以參考Starvation and Fairness。

嵌套管程鎖死 VS 死鎖

嵌套管程鎖死與死鎖很像：都是線程最后被一直阻塞着互相等待。

但是兩者又不完全相同。在死鎖中我們已經對死鎖有了個大概的解釋，死鎖通常是因為兩個線程獲取鎖的順序不一致造成的，線程1鎖住A，等待獲取B，線程2已經獲取了B，再等待獲取A。如死鎖避免中所說的，死鎖可以通過總是以相同的順序獲取鎖來避免。

但是發生嵌套管程鎖死時鎖獲取的順序是一致的。線程1獲得A和B，然后釋放B，等待線程2的信號。線程2需要同時獲得A和B，才能向線程1發送信號。所以，一個線程在等待喚醒，另一個線程在等待想要的鎖被釋放。

不同點歸納如下：

死鎖中，二個線程都在等待對方釋放鎖。

嵌套管程鎖死中，線程1持有鎖A，同時等待從線程2發來的信號，線程2需要鎖A來發信號給線程1。