并发基础知识之线程间的协作
多线程除了我们前面讲的竞争，其实还有协作。就像我们人一样，不但要竞争，也要学会合作，这样才能进步。这篇文章我们就讲讲多线程协作的基本机制wait/notify。同时使用多线程实现生产者/消费者模式。
1.协作的场景
多线程协作的场景有很多，比如：
经典的生产者/消费者模式：生产者消费者通过共享队列实现协作，生产者往队列中放数据，消费者向队列中取数据，当队列满了的时候，生产者就不能再放了，当队列空了的时候，消费者就不能取了。
同时开始：比如百米赛跑，所有的运动员必须等待裁判吹哨子之后才能开始跑。在一些程序，尤其是模拟仿真程序，要求多个线程同时开始。
等待结束：主从协作模式也是一种比较常见的协作模式，主线程将任务分成若干小任务，为每个小任务创建一个线程，主线程必须等待所有子线程都运行结束后才能继续。
集合点：比如班级去春游，在集合点必须等到所有同学都来齐了，才能去下一个旅游点，不能抛下任何一个同学，这是不负责任的。反映在程序中，比如并行迭代计算，每个线程负责一部分计算，然后在集合点等待其他线程完成，一起交付数据。
2.wait/notify方法的介绍
wait/notify方法是类Object中的方法，而Object又是所有类的父类，这样就使得所有的对象都可以调用这两个方法。
主要有两个wait方法
public final void wait() throws InterruptedException
public final void wait(long timeout) throws InterruptedException不带参数或者参数为0，表示无限期等待。
同时这里说一下wait和sleep的区别：wait会释放对象锁，而且不能主动唤醒，需要其他线程去唤醒它。而sleep不会释放对象锁，且到了设置的时间就会主动唤醒。
前面的文章中有说过，每个对象都有一个锁和一个等待队列，当一个线程尝试去获取对象的锁失败时，就会加入该对象的等待队列。其实对象还有另一个队列，叫条件队列，专门用于线程间的协作。
当一个线程调用wait方法后就会把当前线程加入条件队列中并阻塞，等待一个线程去把它唤醒。唤醒使用notify方法，主要有下面形式：
public final void notify()
public final void notifyAll()notify方法是在条件队列中随机选择一个线程，将其从条件队列中移除并唤醒。notifyAll方法，顾名思义，就是把条件队列中的线程都唤醒。
wait的具体过程如下：
1.把当前线程放入条件队列，释放对象锁，线程状态变为WAITING或TIMED_WAITING。
2.等待时间到或者其他线程调用notify/notifyAll方法唤醒，从条件队列中移除，但要重新竞争锁。
3.如果获得了对象锁，则线程状态变为RUNNABLE，并从wait方法调用中返回。否则进入等待队列，线程状态变为BLOCKED，只有获得锁之后才从wait方法调用中返回。
说明：线程被唤醒不一定就能立刻获得锁。
ps：wait/notify方法只能在synchronized块中被调用。如果调用wait/notify方法时，当前线程没有获得对象锁，则会抛出异常。
3.生产者/消费者模式
生产者/消费者模式中，协作的共享变量是队列，队列满了，则生产者就wait，队列空了，则消费者就wait。
/**
* 生产者消费者的共享队列
*/
public class MyBlockingQueue<E> {
private int length;
private Queue<E> queue;
public MyBlockingQueue(int length) {
this.length = length;
queue = new ArrayDeque<E>(length);
}
public synchronized void put(E e) throws InterruptedException {
while(queue.size() == length) {
wait();
}
queue.add(e);
notifyAll();
}
public synchronized E get() throws InterruptedException {
while(queue.isEmpty()) {
wait();
}
E e = queue.poll();
notifyAll();
return e;
}
}该类是生产者消费者的共享队列，有两个方法，分别是生产者放数据的put方法，以及消费者取数据的get方法。都加了synchronized进行修饰。两个方法中都使用了wait方法，等待的条件不一样，但会加入相同的等待条件队列，所以这里要使用notifyAll方法，因为notify只能唤醒一个线程，如果唤醒的是同类线程那就完蛋了。
只能有一个条件等待队列，这是wait/notify机制的局限性。
/**
* 生产者线程
*/
public class Producer extends Thread {
MyBlockingQueue<String> queue;
public Producer(MyBlockingQueue<String> queue) {
this.queue = queue;
}
@Override
public void run() {
int num = 0;
try {
while(true) {
String value = String.valueOf(num);
queue.put(value);
System.out.println("producer put " + value);
num++;
Thread.sleep((int)(Math.random() * 1000));
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}/**
* 消费者线程
*/
public class Consumer extends Thread {
MyBlockingQueue<String> queue;
public Consumer(MyBlockingQueue<String> queue) {
this.queue = queue;
}
@Override
public void run() {
try {
while(true) {
String value = queue.get();
System.out.println("Consumer get " + value);
Thread.sleep((int)(Math.random() * 1000));
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}搞一个主程序运行
public class ProducerAndConsumer {
public static void main(String[] args) {
MyBlockingQueue<String> queue = new MyBlockingQueue<>(10);
new Producer(queue).start();
new Consumer(queue).start();
}
}运行后会交替的打印生产者线程和消费者线程的存取信息。
这里我们使用了ArrayDeque，Java提供了专门的阻塞队列实现
- 接口BlockingQueue和BlockingDeque
- 基于数组的实现类ArrayBlockingQueue
- 基于链表的实现类LinkedBlockingQueue和LinkedBlockingDeque
- 基于堆的实现类PriorityBlockingQueue
在实际开发中，应优先使用这些类。
