再谈Java多线程编程中的虚假唤醒

﹏ヽ暗。殇╰゛Y 2023-06-23 07:57 15阅读 0赞

# 虚假唤醒和你写的程序逻辑无关! #

这是偏于底层的锅，是否看到有些博客写的虚假唤醒难以理解？各种逻辑看似合理，但却给出了虚假唤醒的错误解释？那么来看这篇文章吧，可以满足你的需求。  
首先,先看一波《Java并发编程的艺术》中关于等待/通知的经典范式的描述：

等待方遵循如下原则：

1.  获取对象的锁。
2.  如果条件不满足，那么调用对象的wait()方法，被通知后仍要检查条件。
3.  条件满足则执行对应的逻辑。

对应的伪代码如下

synchronized(对象) {  
    	while(条件不满足) {  //(注意此处呼应第二条，使用while)
    		对象.wait(); 
    	}对应的处理逻辑 
    }

通知方遵循如下原则：

1.  获得对象的锁。
2.  改变条件。
3.  通知所有等待在对象上的线程。

对应的伪代码如下

synchronized(对象) {  
    	改变条件 
    	对象.notifyAll(); 
    }

上面为什么唤醒后要再进行判断？书上并没有解释，但是经过仔细分析，我认为这是防止虚假唤醒，很多文章关于虚假唤醒的解释说有其他线程影响，导致条件再次改变，解释还说的通，但是这并不是虚假唤醒。

虚假唤醒是什么？来看看维基百科的解释：  
[Spurious wakeup][]  
虚假唤醒描述了使用条件变量的复杂性，这些条件变量是由某些多线程API(如POSIX线程和Windows API)提供的。  
即使从等待线程的角度来看，条件变量似乎已经发出了信号，但是等待的条件仍然可能是假的。其中一个原因是虚假的唤醒;也就是说，即使没有线程发出条件变量的信号，线程也可能从其等待状态中被唤醒。为了确保正确性，有必要在线程完成等待后验证条件是否确实为真。因为虚假的唤醒可以重复发生，这是通过在循环中等待来实现的，当条件为真时，该循环终止，例如:

true, for example:
    
    /* In any waiting thread: */
    while(!buf->full)
    	wait(&buf->cond, &buf->lock);
    
    /* In any other thread: */
    if(buf->n >= buf->size){ 
    	buf->full = 1;
    	signal(&buf->cond);
    }

在本例中，我们知道另一个线程将在发送buf->cond(同步两个线程的方法)之前将buf->full(等待的实际条件)设置。等待线程在从等待返回时将始终验证实际情况的真实性，以确保在出现虚假唤醒时正确的行为。  
根据David R. Butenhof的POSIX线程编程ISBN 0-201-63392-2:  
这意味着当您等待一个条件变量时，当没有线程特别广播或发出条件变量的信号时，等待可能(偶尔)返回。虚假的唤醒可能听起来很奇怪，但是在一些多处理器系统中，使条件唤醒完全可预测可能会大大降低所有条件变量操作的速度。造成虚假觉醒的竞争条件应该被认为是罕见的。”

知乎上有这样一个回答：  
[为什么条件锁会产生虚假唤醒现象（spurious wakeup）？][spurious wakeup]  
回答原文如下：

> pthread 的条件变量等待 pthread\_cond\_wait 是使用阻塞的系统调用实现的（比如 Linux 上的  
> futex），这些阻塞的系统调用在进程被信号中断后，通常会中止阻塞、直接返回 EINTR 错误。同样是阻塞系统调用，你从 read 拿到  
> EINTR 错误后可以直接决定重试，因为这通常不影响它本身的语义。而条件变量等待则不能，因为本线程拿到 EINTR 错误和重新调用  
> futex 等待之间，可能别的线程已经通过 pthread\_cond\_signal 或者  
> pthread\_cond\_broadcast发过通知了。  
> 所以，虚假唤醒的一个可能性是条件变量的等待被信号中断。不过，把等待放到循环里的另一个原因是还可能有这样的情况（有人觉得它是虚假唤醒的一种，有人觉得不是）：明明有对应的唤醒，但条件不成立。这是因为可能由于线程调度的原因，被条件变量唤醒的线程在本线程内真正执行「加锁并返回」前，另一个线程插了进来，完整地进行了一套「拿锁、改条件、还锁」的操作。比如  
> Windows 下 SleepConditionVariableCS 的文档中就明确指出了可能出现这种情况。（pthread  
> 里的情况则有点区别，人家的 pthread\_cond\_signal 本来就可能唤醒多个正在等待的线程。）

#### 结论： ####

虚假唤醒与操作系统底层函数有关，而和逻辑无关，但是很多人分析的逻辑是这样：  
明明有对应的唤醒，但条件不成立。这是因为可能由于线程调度的原因，被条件变量唤醒的线程在本线程内真正执行「加锁并返回」前，另一个线程插了进来，完整地进行了一套「拿锁、改条件、还锁」的操作。  
个人认为，这不算虚假唤醒的解释，只能算是逻辑问题。

综上，关于虚假唤醒的浅解，希望能帮助到大家！

[Spurious wakeup]: https://en.m.wikipedia.org/wiki/Spurious_wakeup
[spurious wakeup]: https://www.zhihu.com/question/271521213/answer/363337814