Java多线程技术二：线程间通信——wait/notify机制

1 概述

        线程时操作系统中独立的个体，但这些个体如果不经过特殊的处理是不能成为一个整体的。线程间的通信就是使线程成为整体的比用方案之一，可以说，是线程间进行通信后系统之间的交互性会更强大，CPU利用率会得以大幅提高，同时程序员在处理的过程中可以有效把控与监督各线程任务。

2 不使用wait/notify机制进行通信的缺点

public class MyList {volatile private List list = new ArrayList<>();public void add(){list.add("jay chou");}public int size(){return list.size();}}

  

public class ThreadA extends Thread{private MyList list;public ThreadA(MyList list) {this.list = list;}@Overridepublic void run(){try {for (int i = 0; i < 10; i++) {list.add();System.out.println("添加了" + (i + 1) +"个元素");Thread.sleep(1000);}}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}}
}
public class ThreadB extends Thread{private MyList list;public ThreadB(MyList list) {this.list = list;}@Overridepublic void run(){try {while(true){if(list.size() == 5){System.out.println(" == 5了，线程b要退出了");throw new InterruptedException();}}}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}}
}
public class Run1 {public static void main(String[] args) {MyList list = new MyList();ThreadA a = new ThreadA(list);a.setName("a");a.start();ThreadB b = new ThreadB(list);b.setName("b");b.start();}
}

      

        虽然两个线程之间实现了通信，但还存在缺点：线程ThreadB不停地通过while语句轮询机制来检测某一个条件，这样会浪费CPU资源。如果轮询的时间间隔很短，更浪费CPU资源；如果轮询的时间很长，有可能会取不到想要得到的数据。

3 什么是wait/notify机制

         wait/notify（等待/通知）机制在生活中很常见，比如在就餐时就会出现，如下图：

        厨师和服务员在”菜品传递台“上交互，在这期间会想到几个问题：

        1、厨师做完一个菜的时间未知，所以厨师把菜品放到”菜品传递台“上的时间也未知。

        2、服务员取到菜的时间取决于厨师，所以服务器就有”wait“的状态。

        3、服务器如何能取到菜？这又要取决于厨师。厨师将菜放到”菜品传递台“上，其实就相当于一个notify，这时服务员才可以拿到菜并交给就餐者。

        4、这个过程中就出现了”wait/notify“机制。

        需要说明的是，前文中多个线程之间也可以实现通信，就是就是多个线程共同访问同一个变量。但那种通信机制却不是”等待/通知“,两个线程完全是主动操作同一个共享变量。 但那种通信机制却不失“等待/通知”,两个线程完全是主动操作同一个共享变量，在花费读取时间的基础上，读到的值并不确定是不是想要的。

4 wait/notify机制的原理

        注意：拥有相同锁的线程才可以实现wait/notify机制。所以下文都是假定操作同一个锁。

        wait()是Object类的方法，它的作用是使当前执行wait()方法的线程进行等待，在wait()所在的代码行处暂停执行，并释放锁，直到接到通知或被中断为止。在调用wait()之前，线程必须要获得该对象的对象级别锁，即只能在同步方法或同步块中调用wait()方法。通过通知机制是某个线程继续执行wait()方法后面的代码时，对线程的选择是按照执行wait()方法的顺序确定的，并需要重新获得锁。如果调用wait()时没有持有适当的锁，则抛出IllegalMonitorStateException。它是RuntimeException的一个子类，因此不需要try-catch语句进行捕获异常。

        notify()也要在同步方法或同步块中调用，即在调用前线程必须要获得锁，如果调用notify()没有持有适当的锁，也会抛出IllegalMonitorStateException。该方法用来通知哪些可能等待该锁的其他线程，如果有多个线程等待，则按照执行wait()方法的顺序对呈等待状态的线程发出1次通知，并使那个线程重新获取锁。需要说明的是，执行notify()方法后，当前线程不会马上释放锁，呈等待状态的线程也并不能马上获取该对象锁，要等到执行notify()方法的线程将程序执行完，也就是退出同步区域后，当前线程才会释放锁，而呈等待状态所在的线程才可以获取该对象锁。当第一个获得了该对象锁的等待线程运行完毕后，它会释放掉该对象锁。此时如果没有再次使用notify语句，那么其他等待状态的线程会因为没有得到通知而继续等待。

        wait和notify是Object类中的方法。总结来说：wait是线程暂停运行，而notify通知暂停的线程继续运行。

5 wait()的基本用法

        wait()的作用是使当前线程暂停运行，并释放锁。   

public class Test1 {public static void main(String[] args) {try {String s = new String("");s.wait();}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}}
}

        出现异常的原因是没有“对象监视器”,也就是没有锁。

public class Test2 {public static void main(String[] args) {try {String lock = new String();System.out.println("synchronzied之前");synchronized (lock){System.out.println("进入synchronzied代码块");lock.wait();System.out.println("执行完wait()方法");}System.out.println("执行完synchronzied代码块的代码");}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}}
}

 

        此时线程已经开始等待，但不能永远等待下去，否则程序就不会继续向下运行了。使用notify()方法可以是等待状态的线程继续运行。

6 实现wait/notify机制

public class MyThread1 extends Thread{private Object lock;public MyThread1(Object lock) {this.lock = lock;}@Overridepublic void run(){try {synchronized (lock){System.out.println("开始 等待时间 = " + Utils.data(System.currentTimeMillis()));lock.wait();System.out.println("结束 等待时间 = " + Utils.data(System.currentTimeMillis()));}}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}}
}
public class MyThread2 extends Thread{private Object lock;public MyThread2(Object lock) {this.lock = lock;}@Overridepublic void run(){synchronized (lock){System.out.println("开始 通知时间 = " + Utils.data(System.currentTimeMillis()));lock.notify();System.out.println("结束 通知时间 = " + Utils.data(System.currentTimeMillis()));}}
}
public class Run1 {public static void main(String[] args) {try {Object object = new Object();MyThread1 t1 = new MyThread1(object);t1.start();Thread.sleep(3000);MyThread2 t2 = new MyThread2(object);t2.start();}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}}
}

        从运行结果来看，3秒后线程被通知唤醒。

7 使用wait/notify实现线程销毁

        使用wait/notify可以在某个特定条件下，销毁线程。

public class MyList {private static List list= new ArrayList<>();public static void add(){list.add("1");}public static int size(){return list.size();}
}


public class ThreadA extends Thread{private Object lock;public ThreadA(Object lock) {this.lock = lock;}@Overridepublic void run(){try {synchronized (lock){if(MyList.size() != 5){System.out.println("开始等待 = " + Utils.data(System.currentTimeMillis()));lock.wait();System.out.println("结束等待 = " + Utils.data(System.currentTimeMillis()));}}}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}}
}
public class ThreadB extends Thread{private Object lock;public ThreadB(Object lock) {this.lock = lock;}@Overridepublic void run(){try {synchronized (lock){for (int i = 0; i < 10; i++) {MyList.add();if(MyList.size() == 5){lock.notify();System.out.println("已发出通知");}System.out.println("添加了 " + (i+1));Thread.sleep(1000);}}}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}}
}
public class Run1 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Object lock = new Object();ThreadA t1 = new ThreadA(lock);t1.start();Thread.sleep(50);ThreadB t2 = new ThreadB(lock);t2.start();}
}

        日志信息“结束等待”在最后输出，这也说明notify()方法执行后并不立即释放锁，这点后面会补充介绍。

        关键字synchronzied可以将任何一个Object作为锁来看待，而Java为每个Object都实现了wait()和notify()方法，它们必须用在被同步的Object的临界区内。通过调用wait()方法可以使处于临界区内的线程进入等待状态，同时释放被同步对象的锁，而notify操作可以唤醒一个由于调用了wait操作而处于wait状态中的线程，使其进入就绪状态，被重新唤醒的线程会试图重新获取临界区的控制权，也就是锁，并继续执行临界区内wait之后的代码。如果发出notify操作时没有处于wait状态中的线程，那么该命令就会被忽略。

        notify()方法按照执行wait方法的顺序唤醒等待同一个锁的“一个”线程，进入可运行状态。也就是notify()方法仅通知“一个”线程。而notifyAll()方法执行后，会按照执行 wait()方法的倒序依次唤醒全部的线程。

8 对业务代码进行凤封装

        前面的代码是在自定义的类中处理业务，而业务代码要尽量放在Service类中进行处理。

public class MyList {volatile private List list = new ArrayList<>();public void add(){list.add("q");}public int size(){return list.size();}
}


public class MyService {private Object lock = new Object();private MyList list = new MyList();public void watiMethod(){try {synchronized (lock){if(list.size() != 5){System.out.println("开始等待 = " + Utils.data(System.currentTimeMillis()) + " " + Thread.currentThread().getName());lock.wait();System.out.println("结束等待 = " + Utils.data(System.currentTimeMillis()) + " " + Thread.currentThread().getName());}}}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}}public void notifyMethod(){try {synchronized (lock){System.out.println("开始通知 = " + Utils.data(System.currentTimeMillis()) + " " + Thread.currentThread().getName());for (int i = 0; i < 10; i++) {list.add();if(list.size() == 5){lock.notify();System.out.println("发出通知，wait后面的代码还没有立即执行，因为锁没有释放");}System.out.println("add次数 " + (i+1));Thread.sleep(1000);}System.out.println("结束通知 = " + Utils.data(System.currentTimeMillis()) + " " + Thread.currentThread().getName());}}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}}
}
public class ThreadA extends Thread{private MyService service;public ThreadA(MyService service) {this.service = service;}@Overridepublic void run(){service.watiMethod();}
}
public class ThreadB extends Thread{private MyService service;public ThreadB(MyService service) {this.service = service;}@Overridepublic void run(){service.notifyMethod();}
}

public class Run1 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {MyService service = new MyService();ThreadA t1 = new ThreadA(service);t1.start();Thread.sleep(3000);ThreadB t2 = new ThreadB(service);t2.start();}
}

9 线程状态的切换 

        前面介绍了与Thread有关的大部分API，这些API可以改变线程对象的状态。

        1）创建了一个新的线程对象后，再调用它的start方法，系统会为此线程分配CPU资源，处于可运行状态，是一个准备运行的阶段。如果线程抢占到CPU资源，此线程就处于运行状态。

        2）可运行状态和运行状态可互相切换，因为有可能线程运行一段时间后其他高优先级的线程抢占了CPU资源，这时此线程就从运行状态变成可运行状态。

        线程进入可运行状态可分为以下四种情况：

        1、调用sleep()方法后经过的时间超过了指定的休眠时间；

        2、线程成功获得了试图同步的监视器；

        3、线程正在等待某个通知，其他线程发出了通知；

        4、处于挂起状态的线程调用了resume方法。

        3）暂停状态结束后，线程进入可运行状态，等待系统重新分配资源。

            出现阻塞的情况可分为以下5种：

                1、线程调用sleep方法，主动放弃占用的处理器资源；

                2、线程调用了阻塞式I/O方法，在该方法返回前，该线程被阻塞；

                3、线程试图获得一个同步监视器，但该监视器正被其他线程所持有；

                4、线程等待某个通知；

                5、程序调用了suspend方法将该线程挂起。此方法容易导致死锁，应尽量避免使用。

        4）run方法运行结束后进入销毁阶段，整个线程执行完毕。

10 wait()方法导致锁立即释放

        wait()被执行后，锁会被立即释放，但执行完notify方法后，锁不会立即释放。

public class Service {public void testMethod(Object lock){try {synchronized (lock){System.out.println("开始等待：");lock.wait();System.out.println("结束等待");}}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}}
}
public class ThreadA extends Thread{private Object lock;public ThreadA(Object lock) {this.lock = lock;}@Overridepublic void run(){Service service = new Service();service.testMethod(lock);}
}
public class ThreadB extends Thread{private Object lock;public ThreadB(Object lock) {this.lock = lock;}@Overridepublic void  run(){Service service = new Service();service.testMethod(lock);}
}


public class Run1 {public static void main(String[] args) {Object locl = new Object();ThreadA t1 = new ThreadA(locl);t1.start();ThreadB t2 = new ThreadB(locl);t2.start();}
}

              

11 sleep()方法不释放锁

        如果将wait方法改成sleep方法，就成了同步效果。

public class Service {public void testMethod(Object lock){try {synchronized (lock){System.out.println("开始等待：");Thread.sleep(4000);System.out.println("结束等待");}}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}}
}

 

12 notify方法不立即释放锁

        还有一个结论要进行实验：方法notify被执行后，不立即释放锁。

public class MyService {private Object lock = new Object();public void testMethod(){try {synchronized (lock){System.out.println("开始等待时间 ： " + Utils.data(System.currentTimeMillis()) + Thread.currentThread().getName());lock.wait();System.out.println("结束等待时间 ： " + Utils.data(System.currentTimeMillis()) + Thread.currentThread().getName());}}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}}public void testNofity(){try {synchronized (lock){System.out.println("开始通知时间 ： " + Utils.data(System.currentTimeMillis()) + Thread.currentThread().getName());lock.notify();Thread.sleep(4000);System.out.println("结束通知时间 ： " + Utils.data(System.currentTimeMillis()) + Thread.currentThread().getName());}}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}}
}

     

public class ThreadA extends Thread{private MyService service;public ThreadA(MyService service) {this.service = service;}@Overridepublic void run(){service.testMethod();}
}

     

public class ThreadB extends Thread{private MyService service;public ThreadB(MyService service) {this.service = service;}@Overridepublic void  run(){service.testNofity();}
}

   

public class Run1 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {MyService service = new MyService();ThreadA t1 = new ThreadA(service);t1.start();Thread.sleep(500);ThreadB t2 = new ThreadB(service);t2.start();}
}

通过控制台打印的时间来分析，得到的结论：必须执行完notify方法所在的同步代码块后，才释放锁。

13 notify方法只通知一个线程

        每次调用notify方法时，只通知一个线程进行唤醒，唤醒的顺序按执行wait方法的正序。

public class MyService {private Object lock = new Object();public void waitMethod(){try {synchronized (lock){System.out.println("开始等待时间 = " + Utils.data(System.currentTimeMillis()) + Thread.currentThread().getName());lock.wait();System.out.println("结束等待时间 = " + Utils.data(System.currentTimeMillis()) + Thread.currentThread().getName());}}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}}public void notifyMethod(){synchronized (lock){System.out.println("开始唤醒时间 = " + Utils.data(System.currentTimeMillis()) + Thread.currentThread().getName());lock.notify();System.out.println("结束唤醒时间 = " + Utils.data(System.currentTimeMillis()) + Thread.currentThread().getName());}}
}
public class ThreadA extends Thread{private MyService service;public ThreadA(MyService service) {this.service = service;}@Overridepublic void run(){service.waitMethod();}
}
public class ThreadB extends Thread{private MyService service;public ThreadB(MyService service) {this.service = service;}@Overridepublic void run(){service.notifyMethod();}
}

public class Run1 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {MyService service = new MyService();for (int i = 0; i < 10; i++) {ThreadA t1 = new ThreadA(service);t1.start();}Thread.sleep(1000);ThreadB t1 = new ThreadB(service);t1.start();Thread.sleep(500);ThreadB t2 = new ThreadB(service);t2.start();Thread.sleep(500);ThreadB t3 = new ThreadB(service);t3.start();Thread.sleep(500);ThreadB t4 = new ThreadB(service);t4.start();Thread.sleep(500);ThreadB t5 = new ThreadB(service);t5.start();}

        通过以上几个实验，得出以下三个结论：
        1、执行完notify方法后，按照执行wait的顺序唤醒其他线程。notify所在的同步到代码块执行完才会释放对象的锁，其他线程继续执行wait之后的代码。

        2、在执行同步代码块的过程中，遇到异常而导致县城终止时，锁也会被释放。

        3、在执行同步代码块的过程中执行了锁所属对象的wait方法，这个线程会释放对象锁，等待被唤醒。

14 notifyAll方法通知所有线程

        前面示例中通过多次调用notify方法来实现5个线程被唤醒，当并不能保证实际系统中仅有5个线程，就是notify方法的调用次数小于线程对象的数量，那么会出现部分线程对象没有被唤醒的情况。为了唤醒全部线程，可以使用notifyAll方法。 

       注意，notifyAll方法会按照执行wait方法的倒序依次对其他线程进行唤醒。对上一节的MyService.java进行修改，把notifyMethod()方法中的notify()改成notifyAll()，然后再新建Run2.java类。

public class Run2 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {MyService service = new MyService();for (int i = 0; i < 10; i++) {ThreadA t1 = new ThreadA(service);t1.start();}Thread.sleep(1000);ThreadB t2 = new ThreadB(service);t2.start();}
}

        通过运行结果看到，唤醒的顺序是调用wait()方法的倒序。 

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