Concurrency - notify() 和 notifyAll()

2024-03-05 10:11:24

参考文章

https://www.jianshu.com/p/25e243850bd2?appinstall=0
本文是在阅读完参考文章后，自己的一些实验数据和心得。

前言

之前每每提到并发，总会认为锁就是条件，条件就是锁，阅读完参考文章，思考了一段时间，明确了锁和条件是两个不同的概念：
条件：保证业务逻辑的合理性；
锁：保证并发结果的正确性，担当程序的辅助角色。

概念解释

每个对象都有两个池：
Entry Set：锁池 - 线程A和B争一把锁，线程A获得了锁，那么线程B进入锁池中，处于 Blocked 状态，等待获取锁。
Wait Set：等待池 - 线程A获得锁后，由于条件不满足，调用 wait() 方法后进入等待池，处于 Waiting 状态，等待其他线程调用 notify() 或 notifyAll() 来唤醒。
wait()：当前线程立即释放锁，并进入等待池。
notify()：① 唤醒等待池中等待特定锁的一条线程进入锁池，线程从 Waiting 状态变为 Blocked 状态；② 同步代码块（以同步代码块为例）结束后，当前线程释放锁。
notifyAll()：① 唤醒等待池中等待特定锁的所有线程进入锁池，线程从 Waiting 状态变为 Blocked 状态；② 同步代码块（以同步代码块为例）结束后，当前线程释放锁。
Waiting Hell：等待地狱 - 我自创的词，从最后的结果来看似乎与锁和循环都无关，叫“死锁”或“循环等待”不太合适。

目的

本文主要分析 notify() 造成 Waiting Hell，而 notifyAll() 不会的原因。

示例源码（notify()）

package com.deadlock;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.stream.IntStream;

/**
 * @author Intuition
 * @date 2019/7/26 20:43
 * @since 0.0.1
 */
public class WaitingHellCausedByNotify {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Factory factory = new Factory();
        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();

        // 这里 1，2，3，4并不是给线程编号，只是为了与本次实验结果对应，区分 consume 和 produce
        IntStream.rangeClosed(1, 2)
                .forEach(i -> exec.execute(factory::consume));
        IntStream.rangeClosed(3, 4)
                .forEach(i -> exec.execute(factory::produce));

        exec.shutdown();
        // 等待线程执行完毕后再关闭线程
        exec.awaitTermination(60, TimeUnit.MILLISECONDS);
    }
}

class Factory {
    volatile boolean isEmpty = true;

    public void consume() {
        synchronized (this) {
            while (isEmpty) {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " wait");
                    wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " consume");
            isEmpty = true;
            notify();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " notify");
        }
    }

    public void produce() {
        synchronized (this) {
            while (!isEmpty) {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " wait");
                    wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " produce");
            isEmpty = false;
            notify();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " notify");
        }
    }
}

结果与分析（notify()）

控制台
jconsole
从结果和线程信息分析得知：1和2 是消费线程，3和4 是生产线程。
程序运行结果：（每次结果都可能不同，需多次实验）
A，消费线程1 和生产线程3 执行完毕，正常退出；
B，消费线程2 和生产线程4 都在等待池中，处于 Waiting 状态，而且不会有任何线程调用 notify() 方法唤醒它们，程序陷入等待地狱。
流程分析
1，线程1、2、3、4争用锁，消费线程1 获取到锁，执行；2、3、4 进入锁池中等待获取锁

2，① isEmpty = true，消费线程1 进入 while 后 wait()，释放锁并进入等待池；
② 消费线程2 获得锁，执行

3，① isEmpty = true，消费线程2 进入 while 后 wait()，释放锁并进入等待池；
② 生产线程3 获得锁，执行

4，① isEmpty = true，生产线程3 跳过 while 循环，设置 isEmpty = false，然后 notify() 唤醒消费线程1 进入锁池；同步代码块执行完毕后生产线程3 释放锁并退出；
② 锁池中消费线程1 和生产线程4 争用锁，结果生产线程4 获得锁，执行

5，① isEmpty = false，生产线程4 进入 while 后 wait()，释放锁并进入等待池；
② 消费线程1 获得锁，执行

6，① isEmpty = false，消费线程1 跳出 while 循环，设置 isEmpty = true，然后 notify() 唤醒消费线程2 进入锁池；同步代码块执行完毕后消费线程1 释放锁并退出；
② 锁池中消费线程2 获得锁，执行

7，① isEmpty = true，消费线程2 未能跳出 while 循环，继续 wait()，释放锁并进入等待池；锁池中没有线程，即没有线程争用锁；
② 消费线程2 和生产线程4 都在等待池中，处于 Waiting 状态，而且不会有任何线程调用 notify() 方法唤醒它们，程序陷入等待地狱。

notifyAll()

将代码中的 notify() 换成 notifyAll()，就不会出现等待地狱。
控制台
程序运行结果：
所有线程执行完毕，正常退出。
流程分析：
1，线程1、2、3、4争用锁，消费线程2 获取到锁，执行；1、3、4 进入锁池中等待获取锁

2，① isEmpty = true，消费线程2 进入 while 后 wait()，释放锁并进入等待池；
② 消费线程1 获得锁，执行

3，① isEmpty = true，消费线程1 进入 while 后 wait()，释放锁并进入等待池；
② 生产线程3 获得锁，执行

4，① isEmpty = true，生产线程3 跳过 while 循环，设置 isEmpty = false，然后 notifyAll() 唤醒等待池中消费线程1 和 2 进入锁池；同步代码块执行完毕后生产线程3 释放锁并退出；
② 锁池中消费线程1、2 和生产线程4 争用锁，结果生产线程4 获得锁，执行

5，① isEmpty = false，生产线程4 进入 while 后 wait()，释放锁并进入等待池；
② 消费线程1 获得锁，执行

6，① isEmpty = false，消费线程1 跳出 while 循环，设置 isEmpty = true，然后 notifyAll() 唤醒等待池中生产线程4 进入锁池；同步代码块执行完毕后消费线程1 释放锁并退出；
② 锁池中消费线程2 与生产线程4 争用锁，结果消费线程2 获得锁，执行

7，① isEmpty = true，消费线程2 未能跳出 while 循环，继续 wait()，释放锁并进入等待池；
② 生产线程4 获得锁，执行

8，① isEmpty = true，生产线程4 跳出 while 循环，设置 isEmpty = false，然后 notifyAll() 唤醒等待池中消费线程2 进入锁池；同步代码块执行完毕后生产线程4 释放锁并退出；
② 消费线程2 获得锁，执行

9，① isEmpty = false，消费线程2 跳出 while 循环，设置 isEmpty = true，然后 notifyAll() ；同步代码块执行完毕后消费线程2 释放锁并退出；

总结

以上就是对 notify() 和 notifyAll() 的简要分析：notify() 唤醒一条线程（爱谁谁），容易陷入等待地狱；notifyAll() 唤醒所有线程，会降低效率。
同时从流程分析中也可看出使用 while 循环判断而不是 if 判断的原因（一条消费线程和一条生产线程时也可用 if 判断），目的是防止过度生产或消费。

码农公寓

参考文章

前言

概念解释

目的

示例源码（notify()）

结果与分析（notify()）

notifyAll()

总结

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