Java生产消费问题与虚假唤醒（spurious wakeup）

参考并发容器-阻塞队列 第四部分“阻塞队列的实现原理”。
参考代码生产者-消费者

1.缺少wait会出现的问题

三个类：售货员Clerk，工厂Factory，消费者Consumer
Factory和Consumer共享Clerk对象

class Clerk{
    //商品数量默认是0,volatile关键字保证内存可见性
    private volatile int product=0;

    //进货，synchronized关键字保证原子性，互斥性
    public synchronized void get(){
        if(product>10){
            System.out.println("货满了");
        }else {
            ++product;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"进货"+product);
        }
    }

    //售货
    public synchronized void sale(){
        if(product<=0){
            System.out.println("没货了");
        }else{
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"卖货"+product);
            --product;
        }
    }
}

class Factory implements Runnable{

    private Clerk clerk;

    Factory(Clerk clerk){
        this.clerk = clerk;
    }

    @Override
    public void run() {
        for(int i=0;i<20;i++){
        clerk.get();//进货
        }
    }
}

class Consumer implements Runnable{

    private Clerk clerk;

    Consumer(Clerk clerk){
        this.clerk = clerk;
    }

    @Override
    public void run() {
        for(int i=0;i<20;i++){
            clerk.sale();//卖货
        }

    }        
}

public static void main(String[] args) {

        Clerk clerk = new Clerk();
        Factory factory = new Factory(clerk);
        Consumer consumer = new Consumer(clerk);

        Thread tf = new Thread(factory);
        Thread tc = new Thread(consumer);

        tf.start();
        tc.start();

    }

输出结果：

Thread-0进货1
Thread-0进货2
Thread-0进货3
Thread-0进货4
Thread-0进货5
Thread-0进货6
Thread-0进货7
Thread-0进货8
Thread-0进货9
Thread-0进货10
Thread-0进货11
货满了
货满了
货满了
货满了
货满了
货满了
货满了
货满了
货满了
Thread-1卖货11
Thread-1卖货10
Thread-1卖货9
Thread-1卖货8
Thread-1卖货7
Thread-1卖货6
Thread-1卖货5
Thread-1卖货4
Thread-1卖货3
Thread-1卖货2
Thread-1卖货1
没货了
没货了
没货了
没货了
没货了
没货了
没货了
没货了
没货了

• 问题：上述的情况是当没货的时候还会继续调用该方法，从而占用资源，二货满的情况下也会重复调用进货方法，占用资源，这样是不合理的。
• 解决方式：当货满了，应该停止进货，释放锁让消费者消费，当没货了应该停止消费释放锁，让进货，这是我们想要的逻辑。
  使用wait()和notifyAll()这两个方法来实现。

class Clerk{
    //商品数量默认是0
    private volatile int product=0;

    //进货
    public synchronized void get(){
        if(product>10){
            System.out.println("货满了");
            try {
                this.wait();//等待并释放clerk的对象锁，进入线程队列等待被唤醒
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }else {
            ++product;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"进货"+product);
            notifyAll();//唤醒等待的线程
        }
    }

    //售货
    public synchronized void sale(){
        if(product<=0){
            System.out.println("没货了");
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }else{
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"卖货"+product);
            --product;
            notifyAll();
        }
    }
}

• 结果

Thread-0进货1
Thread-0进货2
Thread-0进货3
Thread-0进货4
Thread-0进货5
Thread-0进货6
Thread-0进货7
Thread-0进货8
Thread-0进货9
Thread-0进货10
Thread-0进货11
货满了
Thread-1卖货11
Thread-1卖货10
Thread-1卖货9
Thread-1卖货8
Thread-1卖货7
Thread-1卖货6
Thread-1卖货5
Thread-1卖货4
Thread-1卖货3
Thread-1卖货2
Thread-1卖货1
没货了
Thread-0进货1
Thread-0进货2
Thread-0进货3
Thread-0进货4
Thread-0进货5
Thread-0进货6
Thread-0进货7
Thread-0进货8
Thread-1卖货8
Thread-1卖货7
Thread-1卖货6
Thread-1卖货5
Thread-1卖货4
Thread-1卖货3
Thread-1卖货2
Thread-1卖货1

2.线程阻塞无法唤醒

• 当产品为1时，生成者线程生产结束；此时Consumer还处于wait无法得到唤醒。
  这种情景对吗？这种问题什么情况下会发生？
• 解决方式：去掉else，每次都会唤醒另外一方的线程。

class Clerk{
    //商品数量默认是0
    private volatile int product=0;

    //进货
    public synchronized void get(){
        if(product>10){
            System.out.println("货满了");
            try {
                this.wait();//等待并释放clerk的对象锁，进入线程队列等待被唤醒
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        ++product;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"进货"+product);
        notifyAll();//唤醒等待的线程
    }

    //售货
    public synchronized void sale(){
        if(product<=0){
            System.out.println("没货了");
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
         System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"卖货"+product);
          --product;
         notifyAll();
    }
}

3.虚假唤醒

Clerk clerk = new Clerk();
        Factory factory = new Factory(clerk);
        Consumer consumer = new Consumer(clerk);

        Thread tf = new Thread(factory);
        Thread tc = new Thread(consumer);
        Thread tc2 = new Thread(consumer);
        tf.start();
        tc.start();
        tc2.start();

• 会出现负数！

没货了
没货了
Thread-0进货1
Thread-2卖货1
没货了
Thread-1卖货0
没货了
Thread-2卖货-1
没货了
Thread-1卖货-2
没货了
Thread-2卖货-3
没货了
Thread-1卖货-4
没货了
Thread-2卖货-5
没货了
Thread-1卖货-6

• 原因
  两个消费者都处于wait状态，然后生产者生产了一个notifyAll，两个消费者同时往下执行，导致product为负数。
• 解决方法：防止虚假唤醒，应该放在循环中，多次进行检查，直到满足条件才进行下一步

4.守护线程解决线程阻塞

• 当多个消费者和一个生产者的时候，生产者有可能先结束循环，但是消费者还没结束，结果到了其他消费者的时候发现product是小于0的于是就wait，程序一直等待得不到结束，就会一直在wait()
• 解决方式
  在共享资源clerk类中定义生产者线程标志位，在main线程中创建一个线程设置为守护线程 并启动，在该守护线程中创建匿名内部类Runnable，并在run方法中判断生产者线程isAlive() 。如果生产者线程结束，就把标志位置为false，该标识位和消费者线程的while判断条件中串联，当生产者线程为false的之后短路，使得消费和线程啥都不做，直到线程结束。
• Clerk中设置Factory 线程标志位

    private boolean facctoryFlg = true;//工厂线程结束的标志位，为false表示线程执行完毕
    public boolean isFacctoryFlg() {
        return facctoryFlg;
    }

    public void setFacctoryFlg(boolean facctoryFlg) {
        this.facctoryFlg = facctoryFlg;
    }

• Main中创建守护线程

        //创建守护线程
        Thread daemon = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
               while(true){
                  if(!tf.isAlive()){
                      clerk.setFacctoryFlg(false);
                      System.out.println("factory--------------"+tf.isAlive());
                      break;
                  }
               }
            }
        });
        daemon.setDaemon(true);//设置为守护线程(后台线程)
        daemon.start();

• 修改·Clerk的sale方法

    public synchronized void sale(){
        while(product<=0){
            //当Factory线程结束的时候，直接结束sale方法
            if(!isFacctoryFlg()){
                return;
            }
            System.out.println("没货了");
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"卖货"+product);
        --product;
        notifyAll();
    }

参考

• 1）生产消费问题&虚假唤醒