用同步基元探秘 Java 多线程中的虚假唤醒

2023-09-27 01:04:15

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揭开虚假唤醒的面纱

在多线程编程中，虚假唤醒是指一个线程从等待状态被唤醒，但它发现满足唤醒条件所需的资源尚未准备好。这种现象会导致线程执行不必要的操作，浪费系统资源并可能导致应用程序出现意外行为。

理解虚假唤醒的成因

虚假唤醒通常发生在使用 wait() 和 notify() 方法的低级同步机制时。当一个线程调用 wait() 方法时，它会释放锁，进入等待状态，直到另一个线程调用 notify() 方法将其唤醒。然而，在多线程环境中，可能有多个线程同时等待同一个锁。当 notify() 被调用时，它只能唤醒一个等待线程，而其他线程仍处于等待状态。

在这种情况下，如果被唤醒的线程尚未完全准备好继续执行，则可能出现虚假唤醒。当它试图获取锁时，它可能会被另一个等待线程抢占，导致它再次进入等待状态。这种循环往复的过程会导致不必要的线程切换和资源浪费。

避免虚假唤醒的最佳实践

避免虚假唤醒至关重要，以确保多线程应用程序的正确和高效执行。以下是一些最佳实践：

使用高级同步工具： 使用 ReentrantLock 和 Condition 等高级同步工具，可以更精细地控制线程的唤醒和等待行为，从而减少虚假唤醒的可能性。
检查唤醒条件： 在从 wait() 唤醒后，始终检查唤醒条件是否已满足。如果条件尚未满足，请再次调用 wait()。
使用 while 循环进行检查： 使用 while 循环而不是 if 语句来检查唤醒条件。这可以确保在唤醒条件满足之前，线程不会继续执行。
避免不必要的唤醒： 仅在唤醒条件已满足时才调用 notify()。避免不必要的唤醒可以减少虚假唤醒的发生率。
使用 try-catch 块： 将 wait() 和 notify() 调用放在 try-catch 块中，以捕获和处理与同步相关的异常。

实例探究：面馆模拟

为了进一步理解虚假唤醒，我们考虑一个模拟面馆的示例。面馆有一个厨师线程和一个食客线程。厨师负责做面，而食客负责吃面。为了确保面馆的正常运行，我们需要协调厨师和食客的活动，以避免厨师一次性做太多面或食客没有面可吃的情况。

public class NoodleShop {
    private int bowls = 0;
    private final Object lock = new Object();

    public void makeNoodles() {
        synchronized (lock) {
            while (bowls > 0) {
                try {
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            bowls++;
            System.out.println("厨师做了一碗面");
            lock.notify();
        }
    }

    public void eatNoodles() {
        synchronized (lock) {
            while (bowls == 0) {
                try {
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            bowls--;
            System.out.println("食客吃了一碗面");
            lock.notify();
        }
    }
}

在这个示例中，厨师和食客线程使用 wait() 和 notify() 方法协调他们的活动。但是，如果厨师线程在没有面的时候被唤醒，就会发生虚假唤醒。为了避免这种情况，我们可以在 makeNoodles() 和 eatNoodles() 方法中添加一个 while 循环，以确保在唤醒条件满足之前线程不会继续执行：

public class NoodleShop {
    private int bowls = 0;
    private final Object lock = new Object();

    public void makeNoodles() {
        synchronized (lock) {
            while (bowls > 0) {
                try {
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            bowls++;
            System.out.println("厨师做了一碗面");
            lock.notify();
        }
    }

    public void eatNoodles() {
        synchronized (lock) {
            while (bowls == 0) {
                try {
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            bowls--;
            System.out.println("食客吃了一碗面");
            lock.notify();
        }
    }
}