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问:为什么是 while 而不是 if ?

大多数人都知道常见的使用 synchronized 代码:

synchronized (obj) {
while (check pass) {
wait();
}
// do your business
}

那么问题是为啥这里是 while 而不是 if 呢?这个问题我最开始也想了很久,按理来说已经在 synchronized 块里面了嘛,就不需要了。这个也是我前面一直是这么认为的,直到最近看了一个 Stackoverflow 上的问题才对这个问题有了比较深入的理解。

试想我们要试想一个有界的队列。那么常见的代码可以是这样:

static class Buf {
private final int MAX = 5;
private final ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();
synchronized void put(int v) throws InterruptedException {
if (list.size() == MAX) {
wait();
}
list.add(v);
notifyAll();
}

synchronized int get() throws InterruptedException {
// line 0
if (list.size() == 0) { // line 1
wait(); // line2
// line 3
}
int v = list.remove(0); // line 4
notifyAll(); // line 5
return v;
}

synchronized int size() {
return list.size();
}
}

注意到这里用的 if,那么我们来看看它会报什么错呢?
下面的代码用了 1 个线程来 put,10 个线程来 get:

final Buf buf = new Buf();
ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(11);
for (int i = 0; i < 1; i++)
es.execute(new Runnable() {

@Override
public void run() {
while (true ) {
try {
buf.put(1);
Thread.sleep(20);
}
catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
break;
}
}
}
});
for (int i = 0; i < 10; i++) {
es.execute(new Runnable() {

@Override
public void run() {
while (true ) {
try {
buf.get();
Thread.sleep(10);
}
catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
break;
}
}
}
});
}

es.shutdown();
es.awaitTermination(1, TimeUnit.DAYS);

这段代码很快或者说一开始就会报错:

java.lang.IndexOutOfBoundsException: Index: 0, Size: 0
at java.util.ArrayList.rangeCheck(ArrayList.java:653)
at java.util.ArrayList.remove(ArrayList.java:492)
at TestWhileWaitBuf.get(TestWhileWait.java:80)atTestWhileWait2.run(TestWhileWait.java:47)
at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1142)
at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:617)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

很明显,在 remove 的时候报错了。那么我们来分析下:

假设现在有 A,B 两个线程来执行 get 操作,我们假设如下的步骤发生了:

\1. A 拿到了锁 line 0。

\2. A 发现 size==0, (line 1),然后进入等待,并释放锁 (line 2)。

\3. 此时 B 拿到了锁,line0,发现 size==0,(line 1),然后进入等待,并释放锁 (line 2)。

\4. 这个时候有个线程 C 往里面加了个数据 1,那么 notifyAll 所有的等待的线程都被唤醒了。

\5. AB 重新获取锁,假设又是 A 拿到了。然后他就走到 line 3,移除了一个数据,(line4) 没有问题。

\6. A 移除数据后想通知别人,此时 list 的大小有了变化,于是调用了 notifyAll (line5),这个时候就把 B 给唤醒了,那么 B 接着往下走。

\7. 这时候 B 就出问题了,因为其实此时的竞态条件已经不满足了 (size==0)。B 以为还可以删除就尝试去删除,结果就跑了异常了。

那么 fix 很简单,在 get 的时候加上 while 就好了:

synchronized int get() throws InterruptedException {
while (list.size() == 0) {
wait();
}
int v = list.remove(0);
notifyAll();
return v;
}

同样的,我们可以尝试修改 put 的线程数和 get 的线程数来发现如果 put 里面不是 while 的话也是不行的。

我们可以用一个外部周期性任务来打印当前 list 的大小,你会发现大小并不是固定的最大5:

final Buf buf = new Buf();
ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(11);
ScheduledExecutorService printer = Executors.newScheduledThreadPool(1);
printer.scheduleAtFixedRate(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println(buf.size());
}
}, 0, 1, TimeUnit.SECONDS);
for (int i = 0; i < 10; i++)
es.execute(new Runnable() {

@Override
public void run() {
while (true ) {
try {
buf.put(1);
Thread.sleep(200);
}
catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
break;
}
}
}
});
for (int i = 0; i < 1; i++) {
es.execute(new Runnable() {

@Override
public void run() {
while (true ) {
try {
buf.get();
Thread.sleep(100);
}
catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
break;
}
}
}
});
}

es.shutdown();
es.awaitTermination(1, TimeUnit.DAYS);

这里我想应该说清楚了为啥必须是 while 还是 if 了。

问:什么时候用 notifyAll 或者 notify?

大多数人都会这么告诉你,当你想要通知所有人的时候就用 notifyAll,当你只想通知一个人的时候就用 notify。但是我们都知道 notify 实际上我们是没法决定到底通知谁的(都是从等待集合里面选一个)。那这个还有什么存在的意义呢?

在上面的例子中,我们用到了 notifyAll,那么下面我们来看下用 notify 是否可以工作呢?

synchronized void put(int v) throws InterruptedException {
if (list.size() == MAX) {
wait();
}
list.add(v);
notify();
}

synchronized int get() throws InterruptedException {
while (list.size() == 0) {
wait();
}
int v = list.remove(0);
notify();
return v;
}

下面的几点是 jvm 告诉我们的:

  1. 任何时候,被唤醒的来执行的线程是不可预知。比如有 5 个线程都在一个对象上,实际上我不知道 下一个哪个线程会被执行。
  2. synchronized 语义实现了有且只有一个线程可以执行同步块里面的代码。

那么我们假设下面的场景就会导致死锁:

P – 生产者 调用 put。
C – 消费者 调用 get。

  1. P1 放了一个数字1。

  2. P2 想来放,发现满了,在wait里面等了。

  3. P3 想来放,发现满了,在 wait 里面等了。

  4. C1 想来拿,C2,C3 就在 get 里面等着。

  5. C1 开始执行,获取1,然后调用 notify 然后退出。

    • 如果 C1 把 C2 唤醒了,所以P2 (其他的都得等)只能在put方法上等着。(等待获取synchoronized (this) 这个monitor)。
    • C2 检查 while 循环发现此时队列是空的,所以就在 wait 里面等着。
    • C3 也比 P2 先执行,那么发现也是空的,只能等着了。
  6. 这时候我们发现 P2、C2、C3 都在等着锁,最终 P2 拿到了锁,放一个 1,notify,然后退出。

  7. P2 这个时候唤醒了P3,P3发现队列是满的,没办法,只能等它变为空。

  8. 这时候没有别的调用了,那么现在这三个线程(P3, C2,C3)就全部变成 suspend 了,也就是死锁了。
文章目录
  1. 1. 问:为什么是 while 而不是 if ?
  2. 2. 问:什么时候用 notifyAll 或者 notify?