java - 减少 Java 中同步块(synchronized block)的范围意外地损坏了我的 ArrayList，为什么会出现这种情况？

Question

有点晚了，我为你准备了一份圣诞特别礼物。有一个圣诞老人类，其中包含礼物的 ArrayList 和用于跟踪哪些 child 已经收到礼物的 Map。 children 被塑造成线程，不断地同时向圣诞老人索要礼物。为简单起见，每个 child 都会收到一份(随机)礼物。

这里是 Santa 类中的方法，偶尔会产生 IllegalArgumentException，因为 presents.size() 为负数。

public Present givePresent(Child child) {
        if(gotPresent.containsKey(child) && !gotPresent.get(child)) {
            synchronized(this) {
                gotPresent.put(child, true);
                Random random = new Random();
                int randomIndex = random.nextInt(presents.size());
                Present present = presents.get(randomIndex);
                presents.remove(present);
                return present;
            }
        }
        return null;
}

但是，使整个方法同步效果很好。我不太明白前面显示的较小尺寸的同步块(synchronized block)的问题。从我的角度来看，它仍然应该确保礼物不会多次分配给 child ，并且礼物 ArrayList 上不应该有并发写入(和读取)。你能告诉我为什么我的假设是错误的吗？

Answer 1

发生这种情况是因为代码包含竞争条件。让我们使用以下示例来说明竞争条件。

假设线程 1 读取

`if(gotPresent.containsKey(child) && !gotPresent.get(child))` 

其计算结果为true。当线程 1 进入synchronized block 时，另一个线程(即线程 2)也会读取

if(gotPresent.containsKey(child) && !gotPresent.get(child)) 

在线程 1 有时间执行 gotPresent.put(child, true); 之前。因此，对于线程 2，上述 if 的计算结果也为 true。

线程 1 位于 synchronized(this) 内，并从呈现列表中删除呈现(即， presents.remove(present);)。现在present列表的size是0。 线程 1 退出 synchronized block ，而线程 2 刚刚进入它，并最终调用

int randomIndex = random.nextInt(presents.size()); 

因为presents.size()会返回0，而random.nextInt实现如下:

  public int nextInt(int bound) {
        if (bound <= 0)
            throw new IllegalArgumentException(BadBound);
        ...
    }

您收到 IllegalArgumentException 异常。

However, making the whole method synchronized works just fine.

是的，因为

 synchronized(this) {
    if(gotPresent.containsKey(child) && !gotPresent.get(child)) {
            gotPresent.put(child, true);
            Random random = new Random();
            int randomIndex = random.nextInt(presents.size());
            Present present = presents.get(randomIndex);
            presents.remove(present);
            return present;
    }
 }

在上述竞争条件示例中，线程 2 会在

之前等待

if(gotPresent.containsKey(child) && !gotPresent.get(child))

因为线程 1 在退出同步块(synchronized block)之前会完成

gotPresent.put(child, true);

当线程2进入synchronized block 时，执行以下语句

!gotPresent.get(child)

将被评估为false，因此Thread 2将立即退出而不调用int randomIndex = random.nextInt(presents.size()); ，列表大小为 0。

由于您所展示的方法是由多个线程并行执行的，因此您应该确保线程之间共享数据结构的互斥，即 gotPresent 和 presents。例如，这意味着 containsKey、get 和 put 等操作应该在同一个同步块(synchronized block)中执行。