什么是虚假唤醒？为什么会产生虚假唤醒？

最近B站学习狂神的JUC并发编程时，听到了虚假唤醒这个词，虽然狂神进行了代码的演示，但我还是不太理解为什么使用if判断包装wait方法会出现虚假唤醒，查找了网上很多大佬的博客终于理解了，这里分享一下虚假唤醒产生的原因。

什么是虚假唤醒？

当一定的条件触发时会唤醒很多在阻塞态的线程，但只有部分的线程唤醒是有用的，其余线程的唤醒是多余的。
比如说卖货，如果本来没有货物，突然进了一件货物，这时所有的顾客都被通知了，但是只能一个人买，所以其他人都是无用的通知。

虚假唤醒演示

public class test {public static void main(String[] args) {Product product = new Product();new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 10; i++) {try {product.push();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}, "生产者A").start();new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 10; i++) {try {product.pop();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}, "消费者A").start();new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 10; i++) {try {product.push();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}, "生产者B").start();new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 10; i++) {try {product.pop();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}, "消费者B").start();}
}class Product {private int product = 0;public synchronized void push() throws InterruptedException {// System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入push方法");if (product > 0) {this.wait();}product++;System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "添加产品，剩余" + product + "件产品");this.notifyAll();}public synchronized void pop() throws InterruptedException {// System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入pop方法");if (product == 0) {this.wait();}product--;System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "使用产品，剩余" + product + "件产品");this.notifyAll();}
}

程序中定义了两个生产者和两个消费者，产品缓冲区的大小为1，一旦生产者生产了产品，消费者就要去消费而生产者不得再生产。
理论上应该出现的结果：

生产者A添加产品，剩余1件产品
消费者A使用产品，剩余0件产品
生产者A添加产品，剩余1件产品
消费者A使用产品，剩余0件产品
生产者B添加产品，剩余1件产品
消费者A使用产品，剩余0件产品
生产者A添加产品，剩余1件产品
...

程序实际运行结果为：

生产者A添加产品，剩余1件产品
消费者A使用产品，剩余0件产品
生产者B添加产品，剩余1件产品
生产者A添加产品，剩余2件产品
生产者B添加产品，剩余3件产品
消费者A使用产品，剩余2件产品
消费者A使用产品，剩余1件产品
...

可以看到程序并没有实现同步的需求。实际上出现的结果可能远不止如此，那为什么会出现这种情况呢？

为了让程序执行步骤更好理解，我在push和pop方法前加入输出语句：

public synchronized void push() throws InterruptedException {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入push方法");...
}public synchronized void pop() throws InterruptedException {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入pop方法");...
}

执行结果如下：

生产者A进入push方法
生产者A添加产品，剩余1件产品
生产者A进入push方法
消费者A进入pop方法
消费者A使用产品，剩余0件产品
消费者A进入pop方法
生产者A添加产品，剩余1件产品
生产者A进入push方法
生产者B进入push方法
消费者A使用产品，剩余0件产品
消费者A进入pop方法
生产者B添加产品，剩余1件产品
生产者B进入push方法
生产者A添加产品，剩余2件产品
生产者A进入push方法
生产者B添加产品，剩余3件产品
...

步骤分析：

生产者A先进入push方法，此时没有产品，条件判断不成立，生产产品，唤醒其他线程

if (product > 0){this.wait();
}
生产者A进入push方法
生产者A添加产品，剩余1件产品

生产者A继续进入push方法，但是此时已有一个产品，条件满足，进入阻塞队列并释放锁

生产者A进入push方法

消费者A进入pop方法，此时已有产品，条件不满足，使用一个产品并唤醒其他线程。

if (product == 0) {this.wait();
}
消费者A进入pop方法
消费者A使用产品，剩余0件产品

消费者A的CPU时间片未结束，继续进入pop方法，但此时已没有产品了，进入阻塞队列并释放锁

消费者A进入pop方法

由于步骤3已经唤醒了生产者A线程（注意生产者A停留在if代码块中），此时生产者A直接跳出 if 代码块并添加产品并唤醒其他线程

生产者A添加产品，剩余1件产品

生产者A时间片未结束，继续进入push方法，此时有产品，进入阻塞队列

生产者A进入push方法

生产者B进入push方法，此时有产品，进入阻塞队列

生产者B进入push方法

在步骤5中唤醒了阻塞队列中的消费者A线程，此时消费者A跳出 if 代码块消费产品并唤醒了生产者A线程、生产者B线程，由于时间片未结束，消费者A继续进入pop方法，但此时已经没有产品了，进入阻塞队列

消费者A使用产品，剩余0件产品
消费者A进入pop方法

经过这么久，终于要到发生同步错误的地方了！！！注意步骤8中消费者A唤醒了位于阻塞队列中的生产者A线程和生产者B线程，而这两个线程此时停留在if代码块中。
首先 CPU时间片给到了生产者B，生产者B生产了一个产品，但时间片未结束，继续进入push方法，此时已有产品，因此生产者B停留在this.wait()处

if (product > 0) {this.wait();
}
生产者B添加产品，剩余1件产品
生产者B进入push方法

此时CPU时间片给到了生产者A，生产者A跳出if判断条件，添加一个产品（此时产品变为两个）并唤醒其他线程（生产者B线程又被唤醒了），同样CPU时间片未结束会产生和步骤9生产者线程B同样的操作

生产者A添加产品，剩余2件产品
生产者A进入push方法

在步骤10中生产者B线程又被唤醒，此时CPU时间片又给到生产者B，生产者跳出 if 代码块并生产一个产品（此时产品变为3个）…

生产者B添加产品，剩余3件产品

如此一来，两个生产者就有可能一直往复生产下去，产品数量可能变得很大。同时，若两个消费者一直交替消费产品，那产品数量可能就会出现负数的情况。如下面运行结果：

...
消费者B进入pop方法
消费者B使用产品，剩余0件产品
消费者B进入pop方法
消费者A使用产品，剩余-1件产品
消费者A进入pop方法
消费者A使用产品，剩余-2件产品
消费者B使用产品，剩余-3件产品
生产者B添加产品，剩余-2件产品
生产者B进入push方法
生产者B添加产品，剩余-1件产品
生产者A添加产品，剩余0件产品
...

为什么会产生虚假唤醒？

从上面的例子可以看出，同步失败的主要原因有以下几个点：

生产者唤醒了所有处于阻塞队列中的线程，我们希望的是生产者A唤醒的应该是两个消费者，而不是唤醒了生产者B
我们都知道，wait方法的作用是将线程停止执行并送入到阻塞队列中，但是wait方法还有一个操作就是释放锁。因此当生产者A执行wait方法时，该线程就会把它持有的对象锁释放，这样生产者B就可以拿到锁进入synchronized修饰的push方法中，即使它被卡在if判断，但被唤醒后它就会又添加一个产品了。

如何解决虚假唤醒？

从上面分析可以知道导致虚假唤醒的原因主要就是一个线程直接在if代码块中被唤醒了，这时它已经跳过了if判断。我们只需要将if判断改为while，这样线程就会被重复判断而不再会跳出判断代码块，从而不会产生虚假唤醒这种情况了。

改动后的代码：

public synchronized void push() throws InterruptedException {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入push方法");while (product > 0) {this.wait();}product++;System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "添加产品，剩余" + product + "件产品");this.notifyAll();}public synchronized void pop() throws InterruptedException {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入pop方法");while (product == 0) {this.wait();}product--;System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "使用产品，剩余" + product + "件产品");this.notifyAll();}

执行结果如下：

生产者A进入push方法
生产者A添加产品，剩余1件产品
生产者A进入push方法
消费者A进入pop方法
消费者A使用产品，剩余0件产品
消费者A进入pop方法
生产者A添加产品，剩余1件产品
生产者A进入push方法
消费者A使用产品，剩余0件产品
消费者A进入pop方法
生产者A添加产品，剩余1件产品
生产者A进入push方法
消费者A使用产品，剩余0件产品
...

可以看出，无论CPU时间片给到哪个线程都不会再发生虚假唤醒了

参考：

什么是Java虚假唤醒及如何避免虚假唤醒？《多线程学习之十四》
Java中Synchronized的用法（简单介绍）
java并发编程：wait()和sleep的区别