Java:两个等待一个阻塞的线程，notify()导致活锁，notifyAll()没有，为什么？

Question

我试图使用Java同步“原语”(synchronized，wait()，notify())实现类似于Java的有界BlockingQueue接口的东西，这时我偶然发现了一些我不理解的行为。

我创建了一个能够存储 1 个元素的队列，创建两个等待从队列中获取值的线程，启动它们，然后尝试将两个值放入主线程同步块中的队列中。大多数情况下它可以工作，但有时等待值的两个线程开始似乎相互唤醒并且不让主线程进入同步块。

这是我的（简化）代码：

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;

public class LivelockDemo {
    private static final int MANY_RUNS = 10000;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < MANY_RUNS; i++) { // to increase the probability
            final MyBoundedBlockingQueue ctr = new MyBoundedBlockingQueue(1);

            Thread t1 = createObserver(ctr, i + ":1");
            Thread t2 = createObserver(ctr, i + ":2");

            t1.start();
            t2.start();

            System.out.println(i + ":0 ready to enter synchronized block");
            synchronized (ctr) {
                System.out.println(i + ":0 entered synchronized block");
                ctr.addWhenHasSpace("hello");
                ctr.addWhenHasSpace("world");
            }

            t1.join();
            t2.join();

            System.out.println();
        }
    }

    public static class MyBoundedBlockingQueue {
        private Queue<Object> lst = new LinkedList<Object>();;

        private int limit;

        private MyBoundedBlockingQueue(int limit) {
            this.limit = limit;
        }

        public synchronized void addWhenHasSpace(Object obj) throws InterruptedException {
            boolean printed = false;
            while (lst.size() >= limit) {
                printed = __heartbeat(':', printed);
                notify();
                wait();
            }
            lst.offer(obj);
            notify();
        }

        // waits until something has been set and then returns it
        public synchronized Object getWhenNotEmpty() throws InterruptedException {
            boolean printed = false;
            while (lst.isEmpty()) {
                printed = __heartbeat('.', printed); // show progress
                notify();
                wait();
            }
            Object result = lst.poll();
            notify();
            return result;
        }

        // just to show progress of waiting threads in a reasonable manner
        private static boolean __heartbeat(char c, boolean printed) {
            long now = System.currentTimeMillis();
            if (now % 1000 == 0) {
                System.out.print(c);
                printed = true;
            } else if (printed) {
                System.out.println();
                printed = false;
            }
            return printed;
        }
    }

    private static Thread createObserver(final MyBoundedBlockingQueue ctr,
            final String name) {
        return new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    System.out.println(name + ": saw " + ctr.getWhenNotEmpty());
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace(System.err);
                }
            }
        }, name);
    }
}

以下是我在它“阻塞”时看到的情况:

(skipped a lot)

85:0 ready to enter synchronized block
85:0 entered synchronized block
85:2: saw hello
85:1: saw world

86:0 ready to enter synchronized block
86:0 entered synchronized block
86:2: saw hello
86:1: saw world

87:0 ready to enter synchronized block
............................................

..........................................................................

..................................................................................
(goes "forever")

但是，如果我将addWhenHasSpace和getWhenNot空方法的同时（…）循环中的通知（）调用更改为通知所有（），它“总是”通过。

我的问题是：为什么在这种情况下，notify（）和notifyAll（）方法的行为会有所不同，以及为什么notify的行为是这样的？

在这种情况下(两个线程在等待，一个线程被阻塞)，我希望这两种方法表现相同，因为:

1. 在我看来，在这种情况下，通知（）只会唤醒另一个线程，与通知（）相同；
2. 唤醒线程的方法的选择似乎会影响被唤醒的线程（我猜是RUNNABLE）和主线程（已被BLOCKED）后来争夺锁的方式——这不是我对javadoc以及在互联网上搜索该主题的期望。

或者我完全做错了什么？

Answer 1

似乎有某种公平/驳船正在使用内在锁定 - 可能是由于一些优化。我猜，本机代码会检查当前线程是否已通知它即将等待的监视器并允许它获胜。

用< code>ReentrantLock替换< code>synchronized,它应该如您所期望的那样工作。这里的不同之处在于< code>ReentrantLock如何处理它已经通知的锁的等待者。

更新：

有趣的发现。您看到的是main线程进入之间的竞赛

        synchronized (ctr) {
            System.out.println(i + ":0 entered synchronized block");
            ctr.addWhenHasSpace("hello");
            ctr.addWhenHasSpace("world");
        }

而其他两个线程进入各自的同步区域。如果主线程在两个线程中的至少一个之前没有进入其同步区域，您将体验到您正在描述的这种实时锁定输出。

似乎正在发生的情况是，如果两个使用者线程都先命中同步块，它们将相互进行乒乓球，等待通知和wait。当线程被阻塞时，JVM可能会将等待优先级的线程分配给监视器。

Answer 2

在不深入研究您的代码的情况下，我可以看到您正在使用单个条件变量来实现具有一个生产者和多个使用者的队列。这是一个麻烦的秘诀：如果只有一个条件变量，那么当一个消费者调用 notify（） 时，就无法知道它是否会唤醒生产者或唤醒另一个消费者。

有两种方法可以摆脱这个陷阱:最简单的是始终使用< code>notifyAll()。

另一种方法是停止使用synchronized、wait（）和 ，而是使用java.util.concurrent.locks中的工具。

单个 ReentrantLock 对象可以为您提供两个（或更多）条件变量。一个专用于生产者通知消费者，另一个专门用于消费者通知生产者。

注意：当您切换到使用 ReentrantLocks 时，名称会发生变化：o.wait（） 变为 c.await（），o.notify（） 变为 c.signal（）。