[整理] Condition VS. wait & notify (Java)
前言
Condition 是 JDK 1.5 中提供的用来替代 wait 和 notify 的线程通讯方法，那么一定会有人问：为什么不能用 wait 和 notify 了？
哥们我用的好好的。别着急，听我给你细说...
之所以推荐使用 Condition 而非 Object 中的 wait 和 notify 的原因有两个：
- 使用 notify 在极端环境下会造成线程“假死”；
- Condition 性能更高。
接下来怎们就用代码和流程图的方式来演示上述的两种情况。
1. notify 线程“假死”
所谓的线程“假死”是指，在使用 notify 唤醒多个等待的线程时，却意外的唤醒了一个没有“准备好”的线程，从而导致整个程序进入了阻塞的状态不能继续执行。
以多线程编程中的经典案例生产者和消费者模型为例，我们先来演示一下线程“假死”的问题。
1.1 正常版本
在演示线程“假死”的问题之前，我们先使用 wait 和 notify 来实现一个简单的生产者和消费者模型，为了让代码更直观，我这里写一个超级简单的实现版本。我们先来创建一个工厂类，工厂类里面包含两个方法，一个是循环生产数据的（存入）方法，另一个是循环消费数据的（取出）方法，实现代码如下。
/**
* 工厂类,消费者和生产者通过调用工厂类实现生产/消费
*/
class Factory {
private int[] items = new int[1]; // 数据存储容器(为了演示方便,设置容量最多存储 1 个元素)
private int size = 0; // 实际存储大小
/**
* 生产方法
*/
public synchronized void put() throws InterruptedException {
// 循环生产数据
do {
while (size == items.length) { // 注意不能是 if 判断
// 存储的容量已经满了,阻塞等待消费者消费之后唤醒
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进入阻塞");
this.wait();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被唤醒");
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 开始工作");
items[0] = 1; // 为了方便演示,设置固定值
size++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 完成工作");
// 当生产队列有数据之后通知唤醒消费者
this.notify();
} while (true);
}
/**
* 消费方法
*/
public synchronized void take() throws InterruptedException {
// 循环消费数据
do {
while (size == 0) {
// 生产者没有数据,阻塞等待
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进入阻塞(消费者)");
this.wait();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被唤醒(消费者)");
}
System.out.println("消费者工作~");
size--;
// 唤醒生产者可以添加生产了
this.notify();
} while (true);
}
}
接下来我们来创建两个线程，一个是生产者调用 put 方法，另一个是消费者调用 take 方法，实现代码如下：
public class NotifyDemo {
public static void main(String[] args) {
// 创建工厂类
Factory factory = new Factory();
// 生产者
Thread producer = new Thread(() -> {
try {
factory.put();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "生产者");
producer.start();
// 消费者
Thread consumer = new Thread(() -> {
try {
factory.take();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "消费者");
consumer.start();
}
}
执行结果如下：
从上述结果可以看出，生产者和消费者在循环交替的执行任务，场面非常和谐，是我们想要的正确结果。
1.2 线程“假死”版本
当只有一个生产者和一个消费者时，wait 和 notify 方法不会有任何问题，然而将生产者增加到两个时就会出现线程“假死”的问题了，程序的实现代码如下：
public class NotifyDemo {
public static void main(String[] args) {
// 创建工厂方法（工厂类的代码不变，这里不再复述）
Factory factory = new Factory();
// 生产者
Thread producer = new Thread(() -> {
try {
factory.put();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "生产者");
producer.start();
// 生产者 2
Thread producer2 = new Thread(() -> {
try {
factory.put();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "生产者2");
producer2.start();
// 消费者
Thread consumer = new Thread(() -> {
try {
factory.take();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "消费者");
consumer.start();
}
}
程序执行结果如下：
从以上结果可以看出，当我们将生产者的数量增加到 2 个时，就会造成线程“假死”阻塞执行的问题，当生产者 2 被唤醒又被阻塞之后，整个程序就不能继续执行了。
线程“假死”问题分析
我们先把以上程序的执行步骤标注一下，得到如下结果：
从上图可以看出：
当执行到第 ④ 步时，此时生产者为工作状态，而生产者 2 和消费者为等待状态，此时正确的做法应该是唤醒消费着进行消费，然后消费者消费完之后再唤醒生产者继续工作；但此时生产者却错误的唤醒了生产者 2，而生产者 2 因为队列已经满了，所以自身并不具备继续执行的能力，因此就导致了整个程序的阻塞，流程图如下所示：
正确执行流程应该是这样的：
1.3 使用 Condition
为了解决线程的“假死”问题，我们可以使用 Condition 来尝试实现一下，Condition 是 JUC（java.util.concurrent）包下的类，需要使用 Lock 锁来创建，Condition 提供了 3 个重要的方法：
- await：对应 wait 方法；
- signal：对应 notify 方法；
- signalAll： notifyAll 方法。
Condition 的使用和 wait/notify 类似，也是先获得锁然后在锁中进行等待和唤醒操作，Condition 的基础用法如下：
// 创建 Condition 对象
Lock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();
// 加锁
lock.lock();
try {
// 业务方法....
// 1.进入等待状态
condition.await();
// 2.唤醒操作
condition.signal();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
小知识：Lock的正确使用姿势
切记 Lock 的 lock.lock() 方法不能放入 try 代码中，如果 lock 方法在 try 代码块之内，可能由于其它方法抛出异常，导致在 finally 代码块中， unlock 对未加锁的对象解锁，它会调用 AQS 的 tryRelease 方法（取决于具体实现类），抛出 IllegalMonitorStateException 异常。
- 回归主题
回到本文的主题，我们如果使用 Condition 来实现线程的通讯就可以避免程序的“假死”情况，因为 Condition 可以创建多个等待集，以本文的生产者和消费者模型为例，我们可以使用两个等待集，一个用做消费者的等待和唤醒，另一个用来唤醒生产者，这样就不会出现生产者唤醒生产者的情况了（生产者只能唤醒消费者，消费者只能唤醒生产者）这样整个流程就不会“假死”了，它的执行流程如下图所示：
了解了它的基本流程之后，咱们来看具体的实现代码。
实现代码
基于 Condition 的工厂实现代码如下：
class FactoryByCondition {
private int[] items = new int[1]; // 数据存储容器(为了演示方便,设置容量最多存储 1 个元素)
private int size = 0; // 实际存储大小
// 创建 Condition 对象
private Lock lock = new ReentrantLock();
// 生产者的 Condition 对象
private Condition producerCondition = lock.newCondition();
// 消费者的 Condition 对象
private Condition consumerCondition = lock.newCondition();
/**
* 生产方法
*/
public void put() throws InterruptedException {
// 循环生产数据
do {
lock.lock();
while (size == items.length) { // 注意不能是 if 判断
// 生产者进入等待
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进入阻塞");
producerCondition.await();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被唤醒");
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 开始工作");
items[0] = 1; // 为了方便演示,设置固定值
size++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 完成工作");
// 唤醒消费者
consumerCondition.signal();
try {
} finally {
lock.unlock();
}
} while (true);
}
/**
* 消费方法
*/
public void take() throws InterruptedException {
// 循环消费数据
do {
lock.lock();
while (size == 0) {
// 消费者阻塞等待
consumerCondition.await();
}
System.out.println("消费者工作~");
size--;
// 唤醒生产者
producerCondition.signal();
try {
} finally {
lock.unlock();
}
} while (true);
}
}
两个生产者和一个消费者的实现代码如下：
public class NotifyDemo {
public static void main(String[] args) {
FactoryByCondition factory = new FactoryByCondition();
// 生产者
Thread producer = new Thread(() -> {
try {
factory.put();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "生产者");
producer.start();
// 生产者 2
Thread producer2 = new Thread(() -> {
try {
factory.put();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "生产者2");
producer2.start();
// 消费者
Thread consumer = new Thread(() -> {
try {
factory.take();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "消费者");
consumer.start();
}
}
程序的执行结果如下图所示：
从上述结果可以看出，当使用 Condition 时，生产者、消费者、生产者 2 会一直交替循环执行，执行结果符合我们的预期。
2. 性能问题
在上面我们演示 notify 会造成线程的“假死”问题的时候，一定有朋友会想到，如果把 notify 换成 notifyAll 线程就不会“假死”了。
这样做法确实可以解决线程“假死”的问题，但同时会到来新的性能问题，空说无凭，直接上代码展示。
以下是使用 wait 和 notifyAll 改进后的代码：
/**
* 工厂类,消费者和生产者通过调用工厂类实现生产/消费功能.
*/
class Factory {
private int[] items = new int[1]; // 数据存储容器(为了演示方便,设置容量最多存储 1 个元素)
private int size = 0; // 实际存储大小
/**
* 生产方法
* @throws InterruptedException
*/
public synchronized void put() throws InterruptedException {
// 循环生产数据
do {
while (size == items.length) { // 注意不能是 if 判断
// 存储的容量已经满了,阻塞等待消费者消费之后唤醒
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进入阻塞");
this.wait();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被唤醒");
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 开始工作");
items[0] = 1; // 为了方便演示,设置固定值
size++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 完成工作");
// 唤醒所有线程
this.notifyAll();
} while (true);
}
/**
* 消费方法
* @throws InterruptedException
*/
public synchronized void take() throws InterruptedException {
// 循环消费数据
do {
while (size == 0) {
// 生产者没有数据,阻塞等待
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进入阻塞(消费者)");
this.wait();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被唤醒(消费者)");
}
System.out.println("消费者工作~");
size--;
// 唤醒所有线程
this.notifyAll();
} while (true);
}
}
依旧是两个生产者加一个消费者，实现代码如下：
public static void main(String[] args) {
Factory factory = new Factory();
// 生产者
Thread producer = new Thread(() -> {
try {
factory.put();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "生产者");
producer.start();
// 生产者 2
Thread producer2 = new Thread(() -> {
try {
factory.put();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "生产者2");
producer2.start();
// 消费者
Thread consumer = new Thread(() -> {
try {
factory.take();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "消费者");
consumer.start();
}
执行的结果如下图所示：
通过以上结果可以看出：当我们调用 notifyAll 时确实不会造成线程“假死”了，但会造成所有的生产者都被唤醒了，但因为待执行的任务只有一个，因此被唤醒的所有生产者中，只有一个会执行正确的工作，而另一个则是啥也不干，然后又进入等待状态，这就行为对于整个程序来说，无疑是多此一举，只会增加线程调度的开销，从而导致整个程序的性能下降。
反观 Condition 的 await 和 signal 方法，即使有多个生产者，程序也只会唤醒一个有效的生产者进行工作，如下图所示：
生产者和生产者 2 依次会被交替的唤醒进行工作，所以这样执行时并没有任何多余的开销，从而相比于 notifyAll 而言整个程序的性能会提升不少。
总结
本文我们通过代码和流程图的方式演示了 wait 方法和 notify/notifyAll 方法的使用缺陷，它的缺陷主要有两个，一个是在极端环境下使用 notify 会造成程序“假死”的情况，另一个就是使用 notifyAll 会造成性能下降的问题，因此在进行线程通讯时，强烈建议使用 Condition 类来实现。
PS：有人可能会问为什么不用 Condition 的 signalAll 和 notifyAll 进行性能对比？而使用 signal 和 notifyAll 进行对比？
既然使用 signal 可以实现此功能，为什么还要使用 signalAll 呢？这就好比在有暖气的 25 度的房间里，穿一件短袖就可以了，为什么还要穿一件棉袄呢？
