分析java并發(fā)中的wait notify notifyAll
java 面試是否有被問到過，sleep 和 wait 方法的區(qū)別，關(guān)于這個問題其實不用多說，大多數(shù)人都能回答出最主要的兩點區(qū)別：
sleep 是線程的方法， wait / notify / notifyAll 是 Object 類的方法； sleep 不會釋放當前線程持有的鎖，到時間后程序會繼續(xù)執(zhí)行，wait 會釋放線程持有的鎖并掛起，直到通過 notify 或者 notifyAll 重新獲得鎖。另外還有一些參數(shù)、異常等區(qū)別，不細說了。本文重點記錄一下 wait / notify / notifyAll 的相關(guān)知識。
二、常見的同步場景開發(fā)中常常遇到這樣的場景：
一個線程執(zhí)行過程中，需要開啟另外一個子線程去做某個耗時的操作（通過休眠3秒模擬），并且**等待**子線程返回結(jié)果，主線程再根據(jù)返回的結(jié)果繼續(xù)往下執(zhí)行。
這里注意我上面加*兩個字“等待”。如果不需要等待，單純只是對子線程的結(jié)果做處理，我們大可注冊回調(diào)方法解決問題，此文不再贅述接口回調(diào)。
此處場景就是主線程停下來等待子線程執(zhí)行完畢后，主線程再繼續(xù)執(zhí)行。針對該場景下面給出實現(xiàn)：
2.1、設置一個判斷的標志位volatile boolean flag = false;public void test(){ //... Thread t1 = new Thread(() -> {try { Thread.sleep(3000); System.out.println('--- 休眠 3 秒');} catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace();} finally { flag = true;} }); t1.start(); while(!flag){ } System.out.println('--- work thread run');}
上面的代碼，執(zhí)行結(jié)果：
強調(diào)一點，聲明標志位的時候，一定注意 volatile 關(guān)鍵字不能忘，如果不加該關(guān)鍵字修飾，程序可能進入死循環(huán)。這是同步中的可見性問題，在 《java 并發(fā)——內(nèi)置鎖》 中有記錄。
顯然，這個實現(xiàn)方案并不好，本來主線程什么也不用做，卻一直在競爭資源，做空循環(huán)，性能上不好，所以并不推薦。
2.2、線程的 join 方法public void test(){ //... Thread t1 = new Thread(() -> {try { Thread.sleep(3000); System.out.println('--- 休眠 3 秒');} catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace();} }); t1.start(); try {t1.join(); } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace(); } System.out.println('--- work thread continue');}
上面的代碼，執(zhí)行結(jié)果同上。利用 Thread 類的 join 方法實現(xiàn)了同步，達到了效果，但是 join 方法不能一定保證效果，在不同的 cpu 上，可能呈現(xiàn)出意想不到的結(jié)果，所以盡量不要用上述方法。
2.3、使用閉鎖 CountDownLatch不清楚閉鎖的新同學可以了解下java并發(fā)中的線程。
public void test(){ //... final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1); Thread t1 = new Thread(() -> {try { Thread.sleep(3000); System.out.println('--- 休眠 3 秒');} catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace();} finally { countDownLatch.countDown();} }); t1.start(); try {countDownLatch.await(); } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace(); } System.out.println('--- work thread run');}
上面的代碼，執(zhí)行結(jié)果同上。同樣可以實現(xiàn)上述效果，執(zhí)行結(jié)果和上面一樣。該方法推薦使用。
2.4、利用 wait / notify 優(yōu)化標志位方法為了方便對比，首先給 2.1 中的循環(huán)方法增加一些打印。修改后的代碼如下：
volatile boolean flag = false;public void test() { //... Thread t1 = new Thread(() -> {try { Thread.sleep(3000); System.out.println('--- 休眠 3 秒');} catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace();} finally { flag = true;} }); t1.start(); while (!flag) {try { System.out.println('---while-loop---'); Thread.sleep(500);} catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace();} } System.out.println('--- work thread run');}
執(zhí)行結(jié)果如下：
事實證明，while 循環(huán)確實一直在執(zhí)行。
為了使該線程再不需要執(zhí)行的時候不搶占資源，我們可以利用 wait 方法將其掛起，在需要它執(zhí)行的時候，再利用 notify 方法將其喚醒。這樣達到優(yōu)化的目的，優(yōu)化后的代碼如下：
volatile boolean flag = false;public void test() { //... final Object obj = new Object(); Thread t1 = new Thread(() -> {synchronized (obj) { try {Thread.sleep(3000);System.out.println('--- 休眠 3 秒'); } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace(); } finally {flag = true; } obj.notify();} }); t1.start(); synchronized (obj) {while (!flag) { try {System.out.println('---while-loop---');Thread.sleep(500);obj.wait(); } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace(); }} } System.out.println('--- work thread run');}
執(zhí)行結(jié)果：
結(jié)果證明，優(yōu)化后的程序，循環(huán)只執(zhí)行了一次。
三、理解 wait / notify / notifyAll在Java中，每個對象都有兩個池，鎖(monitor)池和等待池
3.1、鎖池鎖池:假設線程A已經(jīng)擁有了某個對象的鎖，而其它的線程想要調(diào)用這個對象的某個synchronized方法(或者synchronized塊)，由于這些線程在進入對象的synchronized方法之前必須先獲得該對象的鎖的擁有權(quán)，但是該對象的鎖目前正被線程A擁有，所以這些線程就進入了該對象的鎖池中。
3.2、等待池等待池:假設一個線程A調(diào)用了某個對象的wait()方法，線程A就會釋放該對象的鎖(因為wait()方法必須出現(xiàn)在synchronized中，這樣自然在執(zhí)行wait()方法之前線程A就已經(jīng)擁有了該對象的鎖)，同時線程A就進入到了該對象的等待池中。如果另外的一個線程調(diào)用了相同對象的notifyAll()方法，那么處于該對象的等待池中的線程就會全部進入該對象的鎖池中，準備爭奪鎖的擁有權(quán)。如果另外的一個線程調(diào)用了相同對象的notify()方法，那么僅僅有一個處于該對象的等待池中的線程(隨機)會進入該對象的鎖池.
3.3、notify 和 notifyAll 的區(qū)別3.3.1、wait()public final void wait() throws InterruptedException,IllegalMonitorStateException該方法用來將當前線程置入休眠狀態(tài)，直到接到通知或被中斷為止。在調(diào)用 wait()之前，線程必須要獲得該對象的對象級別鎖，即只能在同步方法或同步塊中調(diào)用 wait()方法。進入 wait()方法后，當前線程釋放鎖。在從 wait()返回前，線程與其他線程競爭重新獲得鎖。如果調(diào)用 wait()時，沒有持有適當?shù)逆i，則拋出 IllegalMonitorStateException，它是 RuntimeException 的一個子類，因此，不需要 try-catch 結(jié)
3.3.2、notify()public final native void notify() throws IllegalMonitorStateException該方法也要在同步方法或同步塊中調(diào)用，即在調(diào)用前，線程也必須要獲得該對象的對象級別鎖，的如果調(diào)用 notify()時沒有持有適當?shù)逆i，也會拋出 IllegalMonitorStateException。該方法用來通知那些可能等待該對象的對象鎖的其他線程。如果有多個線程等待，則線程規(guī)劃器任意挑選出其中一個 wait()狀態(tài)的線程來發(fā)出通知，并使它等待獲取該對象的對象鎖（notify 后，當前線程不會馬上釋放該對象鎖，wait 所在的線程并不能馬上獲取該對象鎖，要等到程序退出 synchronized 代碼塊后，當前線程才會釋放鎖，wait所在的線程也才可以獲取該對象鎖），但不驚動其他同樣在等待被該對象notify的線程們。當?shù)谝粋€獲得了該對象鎖的 wait 線程運行完畢以后，它會釋放掉該對象鎖，此時如果該對象沒有再次使用 notify 語句，則即便該對象已經(jīng)空閑，其他 wait 狀態(tài)等待的線程由于沒有得到該對象的通知，會繼續(xù)阻塞在 wait 狀態(tài)，直到這個對象發(fā)出一個 notify 或 notifyAll。這里需要注意：它們等待的是被 notify 或 notifyAll，而不是鎖。這與下面的 notifyAll()方法執(zhí)行后的情況不同。
3.3.3、notifyAll()public final native void notifyAll() throws IllegalMonitorStateException
該方法與 notify ()方法的工作方式相同，重要的一點差異是：
notifyAll 使所有原來在該對象上 wait 的線程統(tǒng)統(tǒng)退出 wait 的狀態(tài)（即全部被喚醒，不再等待 notify 或 notifyAll，但由于此時還沒有獲取到該對象鎖，因此還不能繼續(xù)往下執(zhí)行），變成等待獲取該對象上的鎖，一旦該對象鎖被釋放（notifyAll 線程退出調(diào)用了 notifyAll 的 synchronized 代碼塊的時候），他們就會去競爭。如果其中一個線程獲得了該對象鎖，它就會繼續(xù)往下執(zhí)行，在它退出 synchronized 代碼塊，釋放鎖后，其他的已經(jīng)被喚醒的線程將會繼續(xù)競爭獲取該鎖，一直進行下去，直到所有被喚醒的線程都執(zhí)行完畢。
四、生產(chǎn)者與消費者模式生產(chǎn)者與消費者問題是并發(fā)編程里面的經(jīng)典問題。接下來說說利用wait()和notify()來實現(xiàn)生產(chǎn)者和消費者并發(fā)問題：顯然要保證生產(chǎn)者和消費者并發(fā)運行不出亂，主要要解決：當生產(chǎn)者線程的緩存區(qū)為滿的時候，就應該調(diào)用wait()來停止生產(chǎn)者繼續(xù)生產(chǎn)，而當生產(chǎn)者滿的緩沖區(qū)被消費者消費掉一塊時，則應該調(diào)用notify()喚醒生產(chǎn)者，通知他可以繼續(xù)生產(chǎn)；同樣，對于消費者，當消費者線程的緩存區(qū)為空的時候，就應該調(diào)用wait()停掉消費者線程繼續(xù)消費，而當生產(chǎn)者又生產(chǎn)了一個時就應該調(diào)用notify()來喚醒消費者線程通知他可以繼續(xù)消費了。
下面是一個簡單的代碼實現(xiàn)：
package com.sharpcj;import java.util.Random;import java.util.concurrent.ExecutorService;import java.util.concurrent.Executors;public class Test { public static void main(String[] args) {Reposity reposity = new Reposity(600);ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();for(int i = 0; i < 10; i++){ threadPool.submit(new Producer(reposity));}for(int i = 0; i < 10; i++){ threadPool.submit(new Consumer(reposity));}threadPool.shutdown(); }}class Reposity { private static final int MAX_NUM = 2000; private int currentNum; private final Object obj = new Object(); public Reposity(int currentNum) {this.currentNum = currentNum; } public void in(int inNum) {synchronized (obj) { while (currentNum + inNum > MAX_NUM) {try { System.out.println('入貨量 ' + inNum + ' 線程 ' + Thread.currentThread().getId() + '被掛起...'); obj.wait();} catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace();} } try {Thread.sleep(200); } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace(); } currentNum += inNum; System.out.println('線程： ' + Thread.currentThread().getId() + ',入貨：inNum = [' + inNum + '], currentNum = [' + currentNum + ']'); obj.notifyAll();} } public void out(int outNum) {synchronized (obj) { while (currentNum < outNum) {try { System.out.println('出貨量 ' + outNum + ' 線程 ' + Thread.currentThread().getId() + '被掛起...'); obj.wait();} catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace();} } try {Thread.sleep(200); } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace(); } currentNum -= outNum; System.out.println('線程： ' + Thread.currentThread().getId() + ',出貨：outNum = [' + outNum + '], currentNum = [' + currentNum + ']'); obj.notifyAll();} }}class Producer implements Runnable { private Reposity reposity; public Producer(Reposity reposity) {this.reposity = reposity; } @Override public void run() {reposity.in(200); }}class Consumer implements Runnable { private Reposity reposity; public Consumer(Reposity reposity) {this.reposity = reposity; } @Override public void run() {reposity.out(200); }}
執(zhí)行結(jié)果：
1.調(diào)用wait方法和notify、notifyAll方法前必須獲得對象鎖，也就是必須寫在synchronized(鎖對象){......}代碼塊中。
2.當線程調(diào)用了wait方法后就釋放了對象鎖，否則其他線程無法獲得對象鎖。
3.當調(diào)用 wait() 方法后，線程必須再次獲得對象鎖后才能繼續(xù)執(zhí)行。
4.如果另外兩個線程都在 wait，則正在執(zhí)行的線程調(diào)用notify方法只能喚醒一個正在wait的線程（公平競爭，由JVM決定）。
5.當使用notifyAll方法后，所有wait狀態(tài)的線程都會被喚醒，但是只有一個線程能獲得鎖對象，必須執(zhí)行完while(condition){this.wait();}后才釋放對象鎖。其余的需要等待該獲得對象鎖的線程執(zhí)行完釋放對象鎖后才能繼續(xù)執(zhí)行。
6.當某個線程調(diào)用notifyAll方法后，雖然其他線程被喚醒了，但是該線程依然持有著對象鎖，必須等該同步代碼塊執(zhí)行完（右大括號結(jié)束）后才算正式釋放了鎖對象，另外兩個線程才有機會執(zhí)行。
7.第5點中說明， wait 方法的調(diào)用前的條件判斷需放在循環(huán)中，否則可能出現(xiàn)邏輯錯誤。另外，根據(jù)程序邏輯合理使用 wait 即 notify 方法，避免如先執(zhí)行 notify ，后執(zhí)行 wait 方法，線程一直掛起之類的錯誤。
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