从一个死锁分析wait,notify,notifyAll

本文通过wait()，notify()，notifyAll()模拟生产者-消费者例子，说明为什么使用notify()会发生死锁。

1. 代码示例

1.1 生产者

public class Producer implements Runnable {
    List<Integer> cache;    public Producer(List<Integer> cache) {        this.cache = cache;
    }    @Override
    public void run() {        while (true) {
            produce();
        }
    }    private void produce() {        synchronized (cache) {            try {                while (cache.size() == 1) {
                    cache.wait();
                }                // 模拟一秒生产一条消息
                Thread.sleep(1000);
                cache.add(new Random().nextInt());

                cache.notify();
            }            catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

1.2 消费者

public class Consumer implements Runnable {
    List<Integer> cache;    public Consumer(List<Integer> cache) {        this.cache = cache;
    }    @Override
    public void run() {        while (true) {
            consume();
        }
    }    private void consume() {        synchronized (cache) {            try {                while (cache.isEmpty()) {
                    cache.wait();
                }

                System.out.println("Consumer consumed [" + cache.remove(0) + "]");
                cache.notify();
            }            catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

1.3 测试代码

1.3.1 一个生产者一个消费者

public class WaitNotifyTest {    public static void main(String[] args) throws Exception {
        List<Integer> cache = Lists.newArrayList();        new Thread(new Consumer(cache)).start();        new Thread(new Producer(cache)).start();
    }
}

运行结果：

Consumer consumed [169154454]Consumer consumed [511734]Consumer consumed [-25784306]Consumer consumed [1648046130]……

从控制台可以看出，每隔一秒钟消费一条数据，完美的生产者消费者模型！

1.3.2 多个消费者多个生产者

既然生产者和消费者都继承了Runnable，就应该多线程运行嘛～～

public class WaitNotifyTest {    public static void main(String[] args) throws Exception {
        List<Integer> cache = Lists.newArrayList();        new Thread(new Consumer(cache)).start();        new Thread(new Consumer(cache)).start();        new Thread(new Consumer(cache)).start();        new Thread(new Producer(cache)).start();        new Thread(new Producer(cache)).start();        new Thread(new Producer(cache)).start();
    }
}

运行结果：

Consumer consumed [-1658797021]Consumer consumed [-2050633449]

程序运行一会后，控制台就没输出了！！！ 通过jstack命令可以分析出当前demo发生了死锁。

1.3.3 将Consumer和Producer中的notify()换成notifyAll()试试

运行结果

Consumer consumed [-781807640]Consumer consumed [42787175]Consumer consumed [327937050]Consumer consumed [2140968760]……

程序又可以欢乐的跑起来了！

我到底做错什么了！

2. notify和notifyAll的区别

1.3.2和1.3.3的不同之处只是将notify换成了notifyAll，肯定是这里有问题

在说明notify和notifyAll的区别之前，先阐述两个概念：锁池和等待池

• 锁池:假设线程A已经拥有了某个对象(注意:不是类)的锁，而其它的线程想要调用这个对象的某个synchronized方法(或者synchronized块)，由于这些线程在进入对象的synchronized方法之前必须先获得该对象的锁的拥有权，但是该对象的锁目前正被线程A拥有，所以这些线程就进入了该对象的锁池中。

• 等待池:假设一个线程A调用了某个对象的wait()方法，线程A就会释放该对象的锁后，进入到了该对象的等待池中。

再说notify和notifyAll的区别

• 线程调用了对象的 wait()方法，便会处于该对象的等待池中，等待池中的线程不会去竞争该对象的锁（即不会参与线程调度，大家理解就好～～）。

• notifyAll调用后，会将全部线程由等待池移到锁池，然后参与锁的竞争，竞争成功则继续执行，如果不成功则留在锁池等待锁被释放后再次参与竞争。

• notify调用后，只会将等待池中的一个随机线程移到锁池。

知道上面的原理后，1.3.x的例子就很好理解了

1.3.1：因为只有一个生产者和消费者，所以等待池中始终只有一个线程，要么就是生产者唤醒消费者，要么消费者唤醒生产者，所以程序可以成功跑起来；
1.3.2：为了简化分析过程，假设两个消费者线程C1、C2，一个生产者线程P1。
时序过程如下（只是一种可能性，不绝对，毕竟只是个例子嘛～~）：

• C1，C2观察到缓存cache中无数据，进入等待池;

• P1获取锁并设置cache数据，通过notify唤醒等待池中某个线程C1，假设C1被唤醒并放入锁池，然后P1释放锁、继续循环重新获取锁并因为检测到cache.size()==1而进入等待池；

• 此时锁池中的线程为C1，C1会竞争到锁，从而消费数据，然后执行notify方法并释放锁，并假设其notify方法会将C2从等待池移入锁池；

• C2检测到cache为空，执行await()使自身进入锁池。因为自身的阻塞所以不能唤醒C1或P1，从而导致死锁！

1.3.3：分两种情况分析：

• cache为空

• 先假设所有线程P都一直停留在等待池。但是这种情况是不可能存在的，因为cache肯定是某个C线程消费后才为空，然后该C线程会执行notifyAll方法将所有等待池中的线程都移入锁池，所以不可能所有P线程一直在等待池；

• 既然P线程不可能一直在等待池，那么这种P线程会竞争锁从而设置cache的值导致cache不为空；

• cache不空的情况分析过程同上

3 使用wait、notify的基本套路

下面是effective java中推荐的标准写法：

synchronized (obj) {    while (<condition does not hold>)
        obj.wait(timeout);    // Perform action appropriate to condition}

为什么要用while，改成if行不行，就像下面这样：

synchronized (obj) {    if (<condition does not hold>)
        obj.wait(timeout);    // Perform action appropriate to condition}

我们将1.1和1.2代码中的while换成if，启动一个生产者，两个消费者线程，某个消费者线程会出现数组下标越界的异常，代码及原因分析如下：

public class WaitNotifyTest {    public static void main(String[] args) throws Exception {
        List<Integer> cache = Lists.newArrayList();        new Thread(new Consumer(cache)).start();        new Thread(new Consumer(cache)).start();
        Thread.sleep(1000);        new Thread(new Producer(cache)).start();
    }
}

• 消费者C1、C2发现cache为空，相继进入等待池；

• P1生产数据，放入cache并唤醒C1，同时自己进入等待池；

• C1消费数据，唤醒C2，C2从cache.wait()处开始执行，因为我们将while(cache.isEmpty())改成了if(cache.isEmpty())，C2不会再次检查cache是否为空，而是直接执行后续代码，这时cache的数据已经被C1消费完了，调用cache.get(0)产生数组下标越界！

作者：泡芙掠夺者
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