Java中wait()方法为什么要放在同步块中？(lost wake-up 问题)

Posted 2022-01-25 sunweiye

问题起源

事情得从一个多线程编程里面臭名昭著的问题"Lost wake-up problem"说起。

这个问题并不是说只在Java语言中会出现，而是会在所有的多线程环境下出现。

假如我们有两个线程，一个消费者线程，一个生产者线程。生产者线程的任务可以简化成将count加一，而后唤醒消费者；消费者则是将count减一，而后在减到0的时候陷入睡眠,代码如下：

生产者伪代码：

count+1;
notify();

消费者伪代码：

while(count<=0)
   wait()
count--

 熟悉多线程的朋友一眼就能够看出来，这里面有问题。什么问题呢？

生产者是两个步骤：

1. count+1;
2. notify();

消费者也是两个步骤：

1. 检查count值；
2. 睡眠或者减一；

　　万一这些步骤混杂在一起呢？比如说，初始的时候count等于0，这个时候消费者检查count的值，发现count小于等于0的条件成立；就在这个时候，发生了上下文切换，生产者进来了，噼噼啪啪一顿操作，把两个步骤都执行完了，也就是发出了通知，准备唤醒一个线程。这个时候消费者刚决定睡觉，还没睡呢，所以这个上面唤醒通知就会被丢掉。紧接着，消费者就睡过去了……

                                       

这就是所谓的lost wake up问题。(丢掉了唤醒线程的那条信息)

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那么怎么解决这个问题呢？

　　现在我们应该就能够看到，问题的根源在于，消费者在检查count到调用wait()之间，count就可能被改掉了。这就是一种很常见的竞态条件。很自然的想法是，让消费者和生产者竞争一把锁，竞争到了的，才能够修改count的值。

于是生产者的代码是:

tryLock()
    count+1
    notify()
releaseLock()

 消费者的代码是:

tryLock()
while(count <= 0)
  wait()
count-1
releaseLock

注意的是，我这里将两者的两个操作都放进去了同步块中。现在来思考一个问题，生产者代码这样修改行不行？

答案是，这样改毫无卵用，依旧会出现lost wake up问题，而且和无锁的表现是一样的。

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终极答案

所以，我们可以总结到，为了避免出现这种lost wake up问题，在这种模型之下，总应该将我们的代码放进去的同步块中。

Java强制我们的wait()/notify()调用必须要在一个同步块中，就是不想让我们在不经意间出现这种lost wake up问题。

不仅仅是这两个方法，包括java.util.concurrent.locks.Condition的await()/signal()也必须要在同步块中：

private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

private Condition condition = lock.newCondition();
@Test
public void test() 
    try 
        condition.signal();
     catch (Exception e) 
        e.printStackTrace();
    

　　确的来说，即便是我们自己在实现自己的锁机制的时候，也应该要确保类似于wait()和notify()这种调用，要在同步块内，防止使用者出现lost wake up问题。

　　Java的这种检测是很严格的。它要求的是，一定要处于锁对象的同步块中。举例来说：

private Object obj = new Object();
private Object anotherObj = new Object();
@Test
public void produce() 
    synchronized (obj) 
        try 
            anotherObj.notify();
         catch (Exception e) 
            e.printStackTrace();
        
     

 这样是没有什么卵用的。一样出现IllegalMonitorStateException。

所以大家知道该怎么做了吧?哈哈