Java~Thread的API是如何改變執行緒的狀態和分析解決生產者|消費者模型中的假死現象與wait條件改變異常

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首先了解Thread的API是如何改變執行緒的狀態的

在這裡插入圖片描述

1）新建立一個新的執行緒物件後，再呼叫它的start()方法，系統會為此執行緒分配CPU資源，使其處於Runnable(可執行)狀態，這是一個準備執行的階段。如果執行緒搶佔到CPU資源，此執行緒就處於Running(執行）狀態。
2)Runnable狀態和Running狀態可相互切換，因為有可能執行緒執行一段時間後，有其他高優先順序的執行緒搶佔了CPU資源，這時此執行緒就從Running狀態變成Runnable狀態。執行緒進入Runnable狀態大體分為如下5種情況:
-> 呼叫sleep()方法後經過的時間超過了指定的休眠時間。
->執行緒呼叫的阻塞IO已經返回，阻塞方法執行完畢。
->執行緒成功地獲得了試圖同步的監視器。
->執行緒正在等待某個通知，其他執行緒發出了通知。
->處於掛起狀態的執行緒呼叫了resume恢復方法。
3 ）Blocked是阻塞的意思，例如遇到了一個IO操作，此時CPU處於空閒狀態，可能會轉而把CPU時間片分配給其他執行緒，這時也可以稱為「暫停」狀態。Blocked狀態結束後，進人Runnable狀態，等待系統重新分配資源。出現阻塞的情況大體分為如下5種:
->執行緒呼叫sleep方法，主動放棄佔用的處理器資源。
->執行緒呼叫了阻塞式IO方法，在該方法返回前，該執行緒被阻塞。
->執行緒試圖獲得一個同步監視器，但該同步監視器正被其他執行緒所持有。
->執行緒等待某個通知。
->程式呼叫了suspend方法將該執行緒掛起。此方法容易導致死鎖，儘量避免使用該方法。
4 ) run()方法執行結束後進入銷燬階段，整個執行緒執行完畢。
每個鎖物件都有兩個佇列，一個是就緒佇列，一個是阻塞佇列。就緒佇列儲存了將要獲得鎖的執行緒，阻塞佇列儲存了被阻塞的執行緒。一個執行緒被喚醒後，才會進入就緒佇列，等待CPU的排程;反之，一個執行緒被wait後，就會進入阻塞佇列，等待下一次被喚醒。

假死現象

「假死」的現象其實就是執行緒進入 WAITING等待狀態。如果全部執行緒都進人WAITING狀態，則程式就不再執行任何業務功能了，整個專案呈停止狀態。這在使用生產者與消費者模式時經常遇到。
服務類

public class ServiceResources {

    private List<String> list = new ArrayList<>();

    synchronized public void push() throws InterruptedException {
        while (list.size() > 0) {
            //說明有產品
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 生產者進入睡眠");
                this.wait();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 生產");
        list.add("anything");
        this.notify();
    }

    synchronized public void take() throws InterruptedException {
        while (list.size() == 0) {
            //說明此時沒有產品
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 消費者進入睡眠");
                this.wait();

        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 消費");
        list.remove(0);
        this.notify();
    }

}

多執行緒

public class ThreadP extends Thread {

    private ServiceResources resources;

    public ThreadP(ServiceResources resources, String name) {
        this.resources = resources;
        this.setName(name);
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                resources.push();
            } catch (InterruptedException e) {
                break;
            }
        }

    }
}

public class ThreadC extends Thread {

    private ServiceResources resources;

    public ThreadC(ServiceResources resources, String name) {
        this.resources = resources;
        this.setName(name);
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                resources.take();
            } catch (InterruptedException e) {
                break;
            }
        }

    }
}

執行類

public class Run {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ServiceResources resources = new ServiceResources();
        //建立多個生產者和多個消費者
        ThreadP threadP1 = new ThreadP(resources, "P1");
        ThreadP threadP2 = new ThreadP(resources, "P2");
        ThreadC threadC1 = new ThreadC(resources, "C1");
        ThreadC threadC2 = new ThreadC(resources, "C2");
        threadP1.start();
        threadP2.start();
        threadC1.start();
        threadC2.start();
        Thread.sleep(5000);
        threadP1.interrupt();
        threadP2.interrupt();
        threadC1.interrupt();
        threadC2.interrupt();
        //獲得所有執行緒的狀態
        Thread[] threadArray = new Thread[Thread.currentThread().getThreadGroup().activeCount()];
        Thread.currentThread().getThreadGroup().enumerate(threadArray);
        for (int i = 0; i < threadArray.length; i++) {
            System.out.println(threadArray[i].getName() + " " + threadArray[i].getState());
        }
    }
}

執行結果
從列印的資訊來看，呈假死狀態的程序中所有的執行緒都呈WAITING狀態。為什麼會出現這樣的情況呢?在程式碼中已經用了wait/notify啊?
在程式碼中確實已經通過wait/notify進行通訊了，但不保證notify喚醒的是異類，也許是同類，比如「生產者」喚醒「生產者」，或「消費者」喚醒「消費者」這樣的情況。如果按這樣情況執行的比率積少成多，就會導致所有的執行緒都不能繼續執行下去，大家都在等待，都呈WAITING狀態，程式最後也就呈「假死」狀態，不能繼續執行下去了。

解決

解決「假死」的情況很簡單，將P.java和C.java檔案中的notifyO改成notifyAll0)方法即可，它的原理就是不光通知同類執行緒，也包括異類。這樣就不至於出現假死的狀態了，程式會一直執行下去。

wait條件改變異常

這個問題多見與少生產多消費中, 簡單來說就是生產趕不上消費, 導致在消費的時候發生異常
服務類

public class ServiceResources {

    private List<String> list = new ArrayList<>();

    synchronized public void push() throws InterruptedException {
        if (list.size() > 0) {
            //說明有產品
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 生產者進入睡眠");
                this.wait();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 生產");
        list.add("anything");
        this.notifyAll();
    }

    synchronized public void take() throws InterruptedException {
        if (list.size() == 0) {
            //說明此時沒有產品
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 消費者進入睡眠");
                this.wait();

        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 消費");
        list.remove(0);
        this.notifyAll();
    }

}

執行類

public class Run {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ServiceResources resources = new ServiceResources();
        //建立一個生產者和多個消費者
        ThreadP threadP1 = new ThreadP(resources, "P1");
        ThreadC threadC1 = new ThreadC(resources, "C1");
        ThreadC threadC2 = new ThreadC(resources, "C2");
        ThreadC threadC3 = new ThreadC(resources, "C3");
        ThreadC threadC4 = new ThreadC(resources, "C4");
        ThreadC threadC5 = new ThreadC(resources, "C5");
        threadP1.start();
        threadC1.start();
        threadC2.start();
        threadC3.start();
        threadC4.start();
        threadC5.start();
        Thread.sleep(5000);
        //獲得所有執行緒的狀態
        Thread[] threadArray = new Thread[Thread.currentThread().getThreadGroup().activeCount()];
        Thread.currentThread().getThreadGroup().enumerate(threadArray);
        for (int i = 0; i < threadArray.length; i++) {
            System.out.println(threadArray[i].getName() + " " + threadArray[i].getState());
        }
    }
}

比問題的出現就是因為在服務類中使用了if語句作為條件判斷，程式碼如下:

if (list.size() == 0) {
            //說明此時沒有產品
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 消費者進入睡眠");
                this.wait();

        }

因為條件發生改變時並沒有得到及時的響應，所以多個呈wait狀態的執行緒被喚醒，繼而執行list.remove(0)程式碼而出現異常。解決這個辦法是，將if改成while語句即可。