Java 多线程执行受阻

Question

出于学习目的，我尝试实现线程安全的队列数据结构 + 消费者/生产者链，出于学习目的，我也没有使用通知/等待机制：

同步队列：

package syncpc;

/**
 * Created by Administrator on 01/07/2009.
 */
public class SyncQueue {

   private int val = 0;
   private boolean set = false;


   boolean isSet() {
      return set;
   }

   synchronized  public void enqueue(int val) {
      this.val = val;
      set = true;
   }

   synchronized public int dequeue()  {
      set = false;
      return val;
   }
}

消费者：

package syncpc;

/**
 * Created by Administrator on 01/07/2009.
 */
public class Consumer implements Runnable {
    SyncQueue queue;

    public Consumer(SyncQueue queue, String name) {
        this.queue = queue;

        new Thread(this, name).start();
    }


    public void run() {

        while(true) {
            if(queue.isSet()) {
                System.out.println(queue.dequeue());
            }

        }
    }
}

制片人：

package syncpc;

import java.util.Random;

/**
 * Created by Administrator on 01/07/2009.
 */
public class Producer implements Runnable {
    SyncQueue queue;

    public Producer(SyncQueue queue, String name) {

        this.queue = queue;
        new Thread(this, name).start();
    }

    public void run() {
        Random r = new Random();

        while(true) {
            if(!queue.isSet()) {
                    queue.enqueue(r.nextInt() % 100);
            }
        }
    }
}

主要：

import syncpcwn.*;

/**
 * Created by Administrator on 27/07/2015.
 */
public class Program {

    public static void main(String[] args) {
        SyncQueue queue  = new SyncQueue();

        new Producer(queue, "PROCUDER");
        new Consumer(queue, "CONSUMER");
    }


}

这里的问题是，如果 isSet 方法不同步，我会得到这样的输出：

97,
55

并且程序只是继续运行而不输出任何值。而如果 isSet 方法被同步，程序可以正常工作。

我不明白为什么，没有死锁，isSet方法只是查询了set实例变量，没有设置它，所以没有竞争条件。

Answer 1

set 必须是volatile：

private boolean volatile set = false;

这可确保在写入完成时所有读者都能看到更新的值。否则他们最终会看到缓存的值。这在this 并发文章中有更详细的讨论，还提供了使用volatile 的不同模式的示例。

现在，您的代码使用 synchronized 的原因可能最好用一个示例来解释。 synchronized 方法可以写成如下（即它们等价于以下表示）：

public class SyncQueue {

   private int val = 0;
   private boolean set = false;


   boolean isSet() {
      synchronized(this) {
          return set;
      }
   }

   public void enqueue(int val) {
      synchronized(this) {
          this.val = val;
          set = true;
      }
   }

   public int dequeue()  {
      synchronized(this) {
          set = false;
          return val;
      }
   }
}

这里，实例本身被用作锁。这意味着只有线程可以持有该锁。这意味着任何线程都会总是 获得更新的值，因为只有 一个 线程可以写入值，而想要读取 set 的线程不会能够执行isSet直到另一个线程释放this上的锁，此时set的值将被更新。

如果您想正确理解 Java 中的并发性，您真的应该阅读 Java: Concurrency In Practice（我认为某个地方也有免费的 PDF）。我还在读这本书，因为还有很多我不理解或错误的地方。

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正如matt forsythe 评论的那样，当您有多个消费者时，您会遇到问题。这是因为他们都可以检查isSet() 并发现有一个值要出列，这意味着他们都会尝试将相同的值出列。归根结底，您真正想要的是“检查和出列如果设置”操作是有效的原子操作，但它不是您编写它的方式。这是因为最初调用isSet 的同一线程不一定是随后调用dequeue 的同一线程。所以操作作为一个整体不是原子的，这意味着你必须同步整个操作。

Answer 2

您遇到的问题是可见性（或者更确切地说，缺乏可见性）。

如果没有任何相反的指令，JVM 将假定分配给一个线程中的变量的值不需要对其他线程可见。有时它可能会在以后显示（在方便时），或者可能永远不会。 Java 内存模型定义了控制什么应该可见以及何时可见的规则，它们被总结为here。 （起初它们可能有点枯燥和可怕，但理解它们绝对至关重要。）

因此，即使生产者将set 设置为true，消费者仍将继续将其视为错误。如何发布新值？

1. 将该字段标记为volatile。这对于像 boolean 这样的原始值非常有效，对于引用，您必须更加小心。
2. synchronized 不仅提供互斥，而且还保证其中设置的任何值对于进入使用相同对象的synchronized 块的任何人都是可见的。 （这就是为什么如果您声明 isSet() 方法 synchronized 一切正常的原因。）
3. 使用线程安全库类，如java.util.concurrent 的Atomic* 类

在您的情况下，volatile 可能是最好的解决方案，因为您只更新 boolean，因此默认情况下保证更新的原子性。

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正如@matt forsythe 指出的那样，您的代码也存在TOCTTOU 问题，因为您的线程可能会在isSet() 和enqueue()/dequeue() 之间被另一个线程中断。

Answer 3

我假设当我们陷入线程问题时，第一步是确保两个线程都运行良好。 （我知道他们会的，因为没有锁会造成死锁）

为此，您也可以在 enqueue 函数中添加 printf 语句。这将确保入队和出队线程运行良好。

那么第二步应该是 "set" 是共享资源，因此值切换得足够好，以便代码可以以所需的方式运行。

我认为如果你能推理并把日志记录得足够好，你就能意识到问题所在。