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对于线程和线程池还有线程安全的理解

进程和线程

进程和线程都是一个时间段的描述,是CPU工作时间段的描述,不过是颗粒大小不同。

来自知乎的图片
他们主要区别是:进程不共享内存,线程可以共享内存。 引用知乎地址

线程:

  • CPU中的Thread:
    CPU中的线程,我们也叫它们Thread,和OS中的线程的名字一样。他们和cpu相关,常说的4核心8线程就是指cpu线程。CPU的Thread就那么固定几个,是稀缺资源。
  • 操作系统中的Thread: 操作系统中的进程可以很多,进程中的线程就更多了。软件操作系统调度的基本单位是OS的Thread。我们开发中所指的就是这个线程。

Thread和Runnable

Java中线程的创建有两种方式: 1.通过继承Thread类,重写Thread的run()方法,将线程运行的逻辑放在其中。

2.通过实现Runnable接口,实例化Thread类。

我们通常使用第二种,因为可以复用Runnable,更容易实现资源共享,能多个线程同时处理一个资源。

// 1
public class MyRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("this is a Runnable");
    }
}
// 2
public class MyThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        super.run();
        System.out.println("this is thread");
    }
}

// 具体使用
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 第一种
        Thread thread1 = new Thread(new MyRunnable());
        thread1.start();
        // 第二种
        MyThread thread2 = new MyThread();
        thread2.start();
    }
}
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而实际Android开发工作中,以上两种都不用,我们通常使用Android提供的Handler和java.util包里的Executor。

Executor

Executor 是一个接口,execute执行Runnable。

public interface Executor {

    /**
     * Executes the given command at some time in the future.  The command
     * may execute in a new thread, in a pooled thread, or in the calling
     * thread, at the discretion of the {@code Executor} implementation.
     *
     * @param command the runnable task
     * @throws RejectedExecutionException if this task cannot be
     * accepted for execution
     * @throws NullPointerException if command is null
     */
    void execute(Runnable command);
}
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看下使用:

      val executor: Executor = Executors.newCachedThreadPool()
        executor.execute { }
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点进去newCachedThreadPool,发现返回的是一个ExecutorService。ExecutorService就是Executor的实现了。

        return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                      60L, TimeUnit.SECONDS,
                                      new SynchronousQueue<Runnable>());
    }
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ExecutorService

ExecutorService有两个方法:

void shutdown();是指不再添加任务,执行完已有任务后结束。 List<Runnable> shutdownNow();是立即调用线程的interrupt()结束所有的线程。

ThreadPoolExecutor

上面看到Executors里面new的是ThreadPoolExecutor,我们看下ThreadPoolExecutor的构造方法:

//五个参数的构造函数
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue)

//六个参数的构造函数-1
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory)

//六个参数的构造函数-2
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          RejectedExecutionHandler handler)

//七个参数的构造函数
public ThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
                          int maximumPoolSize,
                          long keepAliveTime,
                          TimeUnit unit,
                          BlockingQueue<Runnable> workQueue,
                          ThreadFactory threadFactory,
                          RejectedExecutionHandler handler) 
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  • corePoolSize: 该线程池中核心线程数最大值

核心线程:在创建完线程池之后,核心线程先不创建,在接到任务之后创建核心线程。并且会一直存在于线程池中(即使这个线程啥都不干),有任务要执行时,如果核心线程没有被占用,会优先用核心线程执行任务。数量一般情况下设置为CPU核数的二倍即可。

  • maximumPoolSize: 该线程池中线程总数最大值

线程总数=核心线程数+非核心线程数。

非核心线程:简单理解,即核心线程都被占用,但还有任务要做,就创建非核心线程。

  • keepAliveTime: 非核心线程闲置超时时长

这个参数可以理解为,任务少,但池中线程多,非核心线程不能白养着,超过这个时间不工作的就会被干掉,但是核心线程会保留。

  • TimeUnit: keepAliveTime的单位

TimeUnit是一个枚举类型,其包括:

NANOSECONDS:1微毫秒 = 1微秒 / 1000
MICROSECONDS:1微秒 = 1毫秒 / 1000
MILLISECONDS:1毫秒 = 1秒 /1000
SECONDS:秒
MINUTES:分
HOURS:小时
DAYS:天
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  • BlockingQueue workQueue: 线程池中的任务队列

默认情况下,任务进来之后先分配给核心线程执行,核心线程如果都被占用,并不会立刻开启非核心线程执行任务,而是将任务插入任务队列等待执行,核心线程会从任务队列取任务来执行,任务队列可以设置最大值,一旦插入的任务足够多,达到最大值,才会创建非核心线程执行任务。

常见的workQueue有四种:

  1. SynchronousQueue:这个队列接收到任务的时候,会直接提交给线程处理,而不保留它,如果所有线程都在工作怎么办?那就新建一个线程来处理这个任务!所以为了保证不出现<线程数达到了maximumPoolSize而不能新建线程>的错误,使用这个类型队列的时候,maximumPoolSize一般指定成Integer.MAX_VALUE,即无限大。

  2. LinkedBlockingQueue:这个队列接收到任务的时候,如果当前已经创建的核心线程数小于线程池的核心线程数上限,则新建线程(核心线程)处理任务;如果当前已经创建的核心线程数等于核心线程数上限,则进入队列等待。由于这个队列没有最大值限制,即所有超过核心线程数的任务都将被添加到队列中,这也就导致了maximumPoolSize的设定失效,因为总线程数永远不会超过corePoolSize

  3. ArrayBlockingQueue:可以限定队列的长度,接收到任务的时候,如果没有达到corePoolSize的值,则新建线程(核心线程)执行任务,如果达到了,则入队等候,如果队列已满,则新建线程(非核心线程)执行任务,又如果总线程数到了maximumPoolSize,并且队列也满了,则发生错误,或是执行实现定义好的饱和策略。

  4. DelayQueue:队列内元素必须实现Delayed接口,这就意味着你传进去的任务必须先实现Delayed接口。这个队列接收到任务时,首先先入队,只有达到了指定的延时时间,才会执行任务。

  • ThreadFactory threadFactory -> 创建线程的工厂

可以用线程工厂给每个创建出来的线程设置名字。一般情况下无须设置该参数。

  • RejectedExecutionHandler handler -> 饱和拒绝策略

这是当任务队列和线程池都满了时所采取的应对策略,默认是AbordPolicy。

AbordPolicy:表示无法处理新任务,并抛出 RejectedExecutionException 异常。此外还有3种策略,它们分别如下。

CallerRunsPolicy:用调用者所在的线程来处理任务。此策略提供简单的反馈控制机制,能够减缓新任务的提交速度。

DiscardPolicy:不能执行的任务,并将该任务删除。

DiscardOldestPolicy:丢弃队列最近的任务,并执行当前的任务。

四种线程池

Executors类为我们提供的四种简单创建线程池的方法:

private val fix = Executors.newFixedThreadPool(4)
private val cache = Executors.newCachedThreadPool()
private val single = Executors.newSingleThreadExecutor()
private val scheduled = Executors.newScheduledThreadPool(4)
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其实就是调用不同的ThreadPoolExecutor的构造方法。下面一个一个分析:

  1. FixedThreadPool

        public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
            return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                          0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                          new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
        }
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    FixedThreadPool的corePoolSize和maximumPoolSize都设置为参数nThreads,也就是只有固定数量的核心线程,不存在非核心线程。keepAliveTime为0L表示多余的线程立刻终止,因为不会产生多余的线程,所以这个参数是无效的,也就是说线程不会被回收一直保存在线程池。FixedThreadPool的任务队列采用的是LinkedBlockingQueue。一般我们设置为cpu核心数+1。

    private val fix = Executors.newFixedThreadPool(Runtime.getRuntime().availableProcessors() + 1)

    FixThreadPool其实就像一堆人排队上公厕一样,可以无数多人排队,但是厕所位置就那么多,而且没人上时,厕所闲置着也不会搬走。

  2. SingleThreadPool

    public static ExecutorService newSingleThreadExecutor() {
        return new FinalizableDelegatedExecutorService
            (new ThreadPoolExecutor(1, 1,
                                    0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                    new LinkedBlockingQueue<Runnable>()));
    }
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    我们可以看到总线程数和核心线程数都是1,所以就只有一个核心线程。该线程池才用链表阻塞队列LinkedBlockingQueue,先进先出原则,所以保证了任务的按顺序逐一进行。

    SingleThreadPool可以理解为公厕里只有一个坑位,先来先上。

  3. CachedThreadPool

        public static ExecutorService newCachedThreadPool() {
            return new ThreadPoolExecutor(0, Integer.MAX_VALUE,
                                          60L, TimeUnit.SECONDS,
                                          new SynchronousQueue<Runnable>());
        }
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    CachedThreadPool的corePoolSize是0,maximumPoolSize是Int的最大值,也就是说CachedThreadPool没有核心线程,全部都是非核心线程,并且没有上限。keepAliveTime是60秒,就是说空闲线程等待新任务60秒,超时则销毁。此处用到的队列是阻塞队列SynchronousQueue,这个队列没有缓冲区,所以其中最多只能存在一个元素,有新的任务则阻塞等待。

    适用于频繁IO的操作,因为他们的任务量小,但是任务基数非常庞大,使用核心线程处理的话,数量创建方面就很成问题。

CachedThreadPool有点像去冲浪,因为海洋无限大,随时去都有位置冲浪,一个人冲完60秒内可以免费给下一个人玩。超过60秒冲浪板就被商家回收。

  1. ScheduledThreadPool
    public ScheduledThreadPoolExecutor(int corePoolSize) {
        super(corePoolSize, Integer.MAX_VALUE,
              DEFAULT_KEEPALIVE_MILLIS, MILLISECONDS,
              new DelayedWorkQueue());
    }
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可以看出corePoolSize是传进来的固定值,maximumPoolSize无限大,因为采用的队列DelayedWorkQueue是无解的,所以maximumPoolSize参数无效。如果运行的线程达到了corePoolSize时,则将任务添加到DelayedWorkQueue中。DelayedWorkQueue会将任务进行排序,先要执行的任务会放在队列的前面。在跟此前介绍的线程池不同的是,当执行完任务后,会将ScheduledFutureTask中的time变量改为下次要执行的时间并放回到DelayedWorkQueue中。

ScheduledThreadPool主要用于执行定时任务以及有固定周期的重复任务。

Callable

Callable是java1.5添加进来的一个增强版本。类似于Runnable,却又有差异:

  1. Runnable是自从java1.1就有了,而Callable是1.5之后才加上去的。
  2. Callable规定的方法是call(),Runnable规定的方法是run()。
  3. Callable的任务执行后可返回值,而Runnable的任务是不能返回值(是void)。
  4. call方法可以抛出异常,run方法不可以。
  5. 运行Callable任务可以拿到一个Future对象,表示异步计算的结果。它提供了检查计算是否完成的方法,以等待计算的完成,并检索计算的结果。通过Future对象可以了解任务执行情况,可取消任务的执行,还可获取执行结果。
  6. 加入线程池运行,Runnable使用ExecutorService的execute方法,Callable使用submit方法。

下面看下使用:

    val executor: ExecutorService = Executors.newSingleThreadExecutor()
    val future: Future<String> = executor.submit(MyCallable())
    try {
        val string: String = future.get()
    } catch (e: ExecutionException) {

    }
    executor.shutdown()
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    class MyCallable() : Callable<String> {
        override fun call(): String {
            return "done"
        }
    }
复制代码

线程安全

JMM

因为硬件架构,会导致一些问题,特别在多线程的时候更为突出:

  • 缓存一致性问题:在多处理器系统中,每个处理器都有自己的高速缓存,而它们又共享同一主内存(MainMemory)。基于高速缓存的存储交互很好地解决了处理器与内存的速度矛盾,但是也引入了新的问题:缓存一致性(CacheCoherence)。当多个处理器的运算任务都涉及同一块主内存区域时,将可能导致各自的缓存数据不一致的情况,如果真的发生这种情况,那同步回到主内存时以谁的缓存数据为准呢?为了解决一致性的问题,需要各个处理器访问缓存时都遵循一些协议,在读写时要根据协议来进行操作,这类协议有MSI、MESI(IllinoisProtocol)、MOSI、Synapse、Firefly及DragonProtocol,等等。

  • 指令重排序问题:为了使得处理器内部的运算单元能尽量被充分利用,处理器可能会对输入代码进行乱序执行(Out-Of-Order Execution)优化,处理器会在计算之后将乱序执行的结果重组,保证该结果与顺序执行的结果是一致的,但并不保证程序中各个语句计算的先后顺序与输入代码中的顺序一致。因此,如果存在一个计算任务依赖另一个计算任务的中间结果,那么其顺序性并不能靠代码的先后顺序来保证。与处理器的乱序执行优化类似,Java虚拟机的即时编译器中也有类似的指令重排序(Instruction Reorder)优化。

线程间通信必须要经过主内存。

如下,如果线程A与线程B之间要通信的话,必须要经历下面2个步骤:

1)线程A把本地内存A中更新过的共享变量刷新到主内存中去。

2)线程B到主内存中去读取线程A之前已更新过的共享变量。

当对象和变量被存放在计算机中各种不同的内存区域中时,就可能会出现一些具体的问题。Java内存模型建立所围绕的问题:在多线程并发过程中,如何处理多线程读同步问题与可见性(多线程缓存与指令重排序)、多线程写同步问题与原子性。

Java内存模型(即Java Memory Model,简称JMM)本身是一种抽象的概念,并不真实存在,它描述的是一组规则或规范,通过这组规范定义了程序中各个变量(包括实例字段,静态字段和构成数组对象的元素)的访问方式。

  1. 多线程读同步与可见性 线程对共享变量修改的可见性。当一个线程修改了共享变量的值,其他线程能够立刻得知这个修改。

  2. 原子性 指一个操作是按原子的方式执行的。要么该操作不被执行;要么以原子方式执行,即执行过程中不会被其它线程中断。

  3. 有序性 有序性是指对于单线程的执行代码,我们总是认为代码的执行是按顺序依次执行的,这样的理解并没有毛病,毕竟对于单线程而言确实如此,但对于多线程环境,则可能出现乱序现象,因为程序编译成机器码指令后可能会出现指令重排现象,重排后的指令与原指令的顺序未必一致,要明白的是,在Java程序中,倘若在本线程内,所有操作都视为有序行为,如果是多线程环境下,一个线程中观察另外一个线程,所有操作都是无序的,前半句指的是单线程内保证串行语义执行的一致性,后半句则指指令重排现象和工作内存与主内存同步延迟现象。

volatile

volatile关键字有如下两个作用

  1. 保证被volatile修饰的共享变量对所有线程总数可见的,也就是当一个线程修改了一个被volatile修饰共享变量的值,新值总数可以被其他线程立即得知。
  2. 禁止指令重排序优化。
//线程1
boolean stop = false;
while(!stop){
    doSomething();
}
 
//线程2
stop = true;
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如果线程2改变了stop的值,线程1一定会停止吗?不一定。当线程2更改了stop变量的值之后,但是还没来得及写入主存当中,线程2转去做其他事情了,那么线程1由于不知道线程2对stop变量的更改,因此还会一直循环下去。

但是用volatile修饰之后就变得不一样了:

//线程1
volatile boolean stop = false;
while(!stop){
    doSomething();
}
 
//线程2
stop = true;
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第一:使用volatile关键字会强制将修改的值立即写入主存;

第二:使用volatile关键字的话,当线程2进行修改时,会导致线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效(反映到硬件层的话,就是CPU的L1或者L2缓存中对应的缓存行无效);

第三:由于线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效,所以线程1再次读取变量stop的值时会去主存读取。

那么在线程2修改stop值时(当然这里包括2个操作,修改线程2工作内存中的值,然后将修改后的值写入内存),会使得线程1的工作内存中缓存变量stop的缓存行无效,然后线程1读取时,发现自己的缓存行无效,它会等待缓存行对应的主存地址被更新之后,然后去对应的主存读取最新的值。

那么线程1读取到的就是最新的正确的值

这也就是内存模型JMM的内存可见性。

   private volatile int inc = 0;

    void count() {
        inc++;
    }

    void add() {
        new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                for (int j = 0; j < 100_00_00; j++) {
                    count();
                }
                System.out.println(inc);
            }
        }.start();
        new Thread() {
            @Override
            public void run() {
                for (int j = 0; j < 100_00_00; j++) {
                    count();
                }
                System.out.println(inc);
            }
        }.start();

    }

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看这段代码,2个线程分别加一百万次。结果会打印出两百万次吗?不会的。可能有的人就会有疑问,不对啊,上面是对变量inc进行自增操作,由于volatile保证了可见性,那么在每个线程中对inc自增完之后,在其他线程中都能看到修改后的值啊,所以有两个线程分别进行了一百万次操作,那么最终inc的值应该是两百万啊。

  这里面就有一个误区了,volatile关键字能保证可见性没有错,但是上面的程序错在没能保证原子性。可见性只能保证每次读取的是最新的值,但是volatile没办法保证对变量的操作的原子性。

inc++; 其实是两个步骤,先加加,然后再赋值。不是原子性操作,所以volatile不能保证线程安全。

synchronized

synchronized是Java中的关键字,是利用锁的机制来实现同步的。Synchronized的作用主要有三个:

  1. 原子性:确保线程互斥的访问同步代码;
  2. 可见性:保证共享变量的修改能够及时可见,其实是通过Java内存模型中的 “对一个变量unlock操作之前,必须要同步到主内存中;如果对一个变量进行lock操作,则将会清空工作内存中此变量的值,在执行引擎使用此变量前,需要重新从主内存中load操作或assign操作初始化变量值” 来保证的;
  3. 有序性:有效解决重排序问题,即 “一个unlock操作先行发生(happen-before)于后面对同一个锁的lock操作”;

synchronized 可以修饰方法和代码块,进入synchronized修饰的方法或者代码块的线程,就会获取monitor对象,monitor也就是Java里的对象锁。

下面看下经典的卖票案例:

class Ticket implements Runnable {
    /* 五百张票 */
    private int tickets = 500;

    @Override
    public void run() {

        while (true) {
            //同步锁
            synchronized (this) {
                if (tickets > 0) {
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.printf("%s窗口正在卖出第%d张票!\n", Thread.currentThread().getName(), tickets--);
                } else {
                    System.out.printf("%s窗口已售罄\n", Thread.currentThread().getName());
                    System.exit(0);
                }
            }
        }
    }
}
复制代码
    public static void main(String[] args) {
        Ticket ticket = new Ticket();
        Thread thread1= new Thread(ticket);
        Thread thread2 = new Thread(ticket);
        Thread thread3 = new Thread(ticket);
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
    }
复制代码

3个线程卖500张票。利用synchronized实现线程安全,下面修改下实现:

class Ticket  {
    /* 五百张票 */
    private int tickets = 500;

    public void sellTckets() {
        while (true) {
            //同步锁
            synchronized (this) {
                if (tickets > 0) {
                    try {
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.printf("%s窗口正在卖出第%d张票!\n", Thread.currentThread().getName(), tickets--);
                } else {
                    System.out.printf("%s窗口已售罄\n", Thread.currentThread().getName());
                    System.exit(0);
                }
            }
        }
    }
}
复制代码
public static void main(String[] args) {
        final Ticket ticket = new Ticket();
        Thread thread1= new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                ticket.sellTckets();
            }
        };
        Thread thread2 = new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                ticket.sellTckets();
            }
        };
        Thread thread3 = new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                ticket.sellTckets();
            }
        };
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread3.start();
    }
复制代码

一样的线程安全,多线程卖票,但是现在我不仅要卖票,还要订餐,卖票和订餐是两个互不干涉的操作,但是因为 synchronized (this)拿到的是同一个对象锁,所以如果线程1在卖票,那么线程2就不能拿到对象锁去订餐:

class Ticket  {
    /* 二百张票 */
    private int tickets = 200;
    /* 二百份盒饭 */
    private int foods = 200;

    public void sell​​Tckets() {
        while (true) {
            //同步锁
            synchronized (this) {
                if (tickets > 0) {
                    try {
                        Thread.sleep(50);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.printf("%s窗口正在卖出第%d张票!\n", Thread.currentThread().getName(), tickets--);
                } else {
                    System.out.printf("%s窗口车票已售罄\n", Thread.currentThread().getName());
                    System.exit(0);
                }
            }
        }
    }

    public void sellFoods() {
        while (true) {
            //同步锁
            synchronized (this) {
                if (foods > 0) {
                    try {
                        Thread.sleep(50);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.printf("%s窗口正在卖出第%d份盒饭!\n", Thread.currentThread().getName(), foods--);
                } else {
                    System.out.printf("%s窗口盒饭已售罄\n", Thread.currentThread().getName());
                    System.exit(0);
                }
            }
        }
    }

复制代码

那么怎么能多线程订票的同时,别的线程也可以订餐呢?用不同的对象即可:

class Ticket {
    private int tickets = 200;
 
    private int foods = 200;
    Object object1 = new Object();
    Object object2 = new Object();

    public void sellTickets() {
        while (true) {
            //同步锁
            synchronized (object1) {
                if (tickets > 0) {
                    try {
                        Thread.sleep(50);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.printf("%s窗口正在卖出第%d张票!\n", Thread.currentThread().getName(), tickets--);
                } else {
                    System.out.printf("%s窗口车票已售罄\n", Thread.currentThread().getName());
                    System.exit(0);
                }
            }
        }
    }

    public void sellFoods() {
        while (true) {
            //同步锁
            synchronized (object2) {
                if (foods > 0) {
                    try {
                        Thread.sleep(50);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    System.out.printf("%s窗口正在卖出第%d份盒饭!\n", Thread.currentThread().getName(), foods--);
                } else {
                    System.out.printf("%s窗口盒饭已售罄\n", Thread.currentThread().getName());
                    System.exit(0);
                }
            }
        }
    }
}
复制代码

这就像你家里2个卧室,门锁是一样的锁所以都用同一把钥匙。老王拿着钥匙进入主卧反锁了门睡觉,你想去次卧睡,但是钥匙被老王拿进主卧了。你去不了次卧。只能等他出来把钥匙给你。怎么能你俩都去睡觉呢?那就配两把钥匙。老王拿着主卧的钥匙去了主卧,你拿着次卧的钥匙去次卧睡。

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