Java多线程学习（四）等待/通知（wait/notify）机制

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Java多线程学习（一）Java多线程入门

Java多线程学习（二）synchronized关键字（1）

Java多线程学习（二）synchronized关键字（2）

Java多线程学习（三）volatile关键字

Java多线程学习（四）等待/通知（wait/notify）机制

Java多线程学习（五）线程间通信知识点补充

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一 等待/通知机制介绍

1.1 不使用等待/通知机制

当两个线程之间存在生产和消费者关系，也就是说第一个线程（生产者）做相应的操作然后第二个线程（消费者）感知到了变化又进行相应的操作。比如像下面的whie语句一样，假设这个value值就是第一个线程操作的结果，doSomething()是第二个线程要做的事，当满足条件value=desire后才执行doSomething()。

但是这里有个问题就是：第二个语句不停过通过轮询机制来检测判断条件是否成立。如果轮询时间的间隔太小会浪费CPU资源，轮询时间的间隔太大，就可能取不到自己想要的数据。所以这里就需要我们今天讲到的等待/通知（wait/notify）机制来解决这两个矛盾。

    while(value=desire){
        doSomething();
    }

1.2 什么是等待/通知机制？

通俗来讲：

等待/通知机制在我们生活中比比皆是，一个形象的例子就是厨师和服务员之间就存在等待/通知机制。
1. 厨师做完一道菜的时间是不确定的，所以菜到服务员手中的时间是不确定的；
2. 服务员就需要去“等待（wait）”；
3. 厨师把菜做完之后，按一下铃，这里的按铃就是“通知（nofity）”；
4. 服务员听到铃声之后就知道菜做好了，他可以去端菜了。

用专业术语讲：

等待/通知机制，是指一个线程A调用了对象O的wait()方法进入等待状态，而另一个线程B调用了对象O的notify()/notifyAll()方法，线程A收到通知后退出等待队列，进入可运行状态，进而执行后续操作。上诉两个线程通过对象O来完成交互，而对象上的wait()方法和notify()/notifyAll()方法的关系就如同开关信号一样，用来完成等待方和通知方之间的交互工作。

1.3 等待/通知机制的相关方法

方法名称	描述
notify()	随机唤醒等待队列中等待同一共享资源的 “一个线程”，并使该线程退出等待队列，进入可运行状态，也就是notify()方法仅通知“一个线程”
notifyAll()	使所有正在等待队列中等待同一共享资源的 “全部线程” 退出等待队列，进入可运行状态。此时，优先级最高的那个线程最先执行，但也有可能是随机执行，这取决于JVM虚拟机的实现
wait()	使调用该方法的线程释放共享资源锁，然后从运行状态退出，进入等待队列，直到被再次唤醒
wait(long)	超时等待一段时间，这里的参数时间是毫秒，也就是等待长达n毫秒，如果没有通知就超时返回
wait(long，int)	对于超时时间更细力度的控制，可以达到纳秒

二 等待/通知机制的实现

2.1 我的第一个等待/通知机制程序

MyList.java

public class MyList {
    private static List<String> list = new ArrayList<String>();

    public static void add() {
        list.add("anyString");
    }

    public static int size() {
        return list.size();
    }

}

ThreadA.java

public class ThreadA extends Thread {

    private Object lock;

    public ThreadA(Object lock) {
        super();
        this.lock = lock;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            synchronized (lock) {
                if (MyList.size() != 5) {
                    System.out.println("wait begin "
                            + System.currentTimeMillis());
                    lock.wait();
                    System.out.println("wait end  "
                            + System.currentTimeMillis());
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

ThreadB.java

public class ThreadB extends Thread {
    private Object lock;

    public ThreadB(Object lock) {
        super();
        this.lock = lock;
    }

    @Override
    public 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) + "个元素!");
                    Thread.sleep(1000);
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

Run.java

public class Run {

    public static void main(String[] args) {

        try {
            Object lock = new Object();

            ThreadA a = new ThreadA(lock);
            a.start();

            Thread.sleep(50);

            ThreadB b = new ThreadB(lock);
            b.start();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }

}

运行结果：

从运行结果:”wait end 1521967322359”最后输出可以看出，notify()执行后并不会立即释放锁。下面我们会补充介绍这个知识点。

synchronized关键字可以将任何一个Object对象作为同步对象来看待，而Java为每个Object都实现了等待/通知（wait/notify）机制的相关方法，它们必须用在synchronized关键字同步的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()方法可以唤醒一个因调用wait操作而处于阻塞状态中的线程，使其进入就绪状态。被重新唤醒的线程会视图重新获得临界区的控制权也就是锁，并继续执行wait方法之后的代码。如果发出notify操作时没有处于阻塞状态中的线程，那么该命令会被忽略。

如果我们这里不通过等待/通知（wait/notify）机制实现，而是使用如下的while循环实现的话，我们上面也讲过会有很大的弊端。

 while(MyList.size() == 5){
        doSomething();
    }

2.2线程的基本状态

上面几章的学习中我们已经掌握了与线程有关的大部分API，这些API可以改变线程对象的状态。如下图所示：

1. 新建(new)：新创建了一个线程对象。
2. 可运行(runnable)：线程对象创建后，其他线程(比如main线程）调用了该对象的start()方法。该状态的线程位于可运行线程池中，等待被线程调度选中，获 取cpu的使用权。
3. 运行(running)：可运行状态(runnable)的线程获得了cpu时间片（timeslice），执行程序代码。
4. 阻塞(block)：阻塞状态是指线程因为某种原因放弃了cpu使用权，也即让出了cpu timeslice，暂时停止运行。直到线程进入可运行(runnable)状态，才有 机会再次获得cpu timeslice转到运行(running)状态。阻塞的情况分三种：

(一). 等待阻塞：运行(running)的线程执行o.wait()方法，JVM会把该线程放 入等待队列(waitting queue)中。

(二). **同步阻塞**：运行(running)的线程在获取对象的同步锁时，若该同步锁 被别的线程占用，则JVM会把该线程放入锁池(lock pool)中。

(三). **其他阻塞**: 运行(running)的线程执行Thread.sleep(long ms)或t.join()方法，或者发出了I/O请求时，JVM会把该线程置为阻塞状态。当sleep()状态超时join()等待线程终止或者超时、或者I/O处理完毕时，线程重新转入可运行(runnable)状态。

5. 死亡(dead)：线程run()、main()方法执行结束，或者因异常退出了run()方法，则该线程结束生命周期。死亡的线程不可再次复生。

备注：
可以用早起坐地铁来比喻这个过程：

还没起床：sleeping

起床收拾好了，随时可以坐地铁出发：Runnable

等地铁来：Waiting

地铁来了，但要排队上地铁：I/O阻塞

上了地铁，发现暂时没座位：synchronized阻塞

地铁上找到座位：Running

到达目的地：Dead

2.3 notify()锁不释放

当方法wait()被执行后，锁自动被释放，但执行完notify()方法后，锁不会自动释放。必须执行完notify()方法所在的synchronized代码块后才释放。

下面我们通过代码验证一下：

（完整代码：https://github.com/Snailclimb/threadDemo/tree/master/src/wait_notifyHoldLock）

带wait方法的synchronized代码块

            synchronized (lock) {
                System.out.println("begin wait() ThreadName="
                        + Thread.currentThread().getName());
                lock.wait();
                System.out.println("  end wait() ThreadName="
                        + Thread.currentThread().getName());
            }

带notify方法的synchronized代码块

            synchronized (lock) {
                System.out.println("begin notify() ThreadName="
                        + Thread.currentThread().getName() + " time="
                        + System.currentTimeMillis());
                lock.notify();
                Thread.sleep(5000);
                System.out.println("  end notify() ThreadName="
                        + Thread.currentThread().getName() + " time="
                        + System.currentTimeMillis());
            }

如果有三个同一个对象实例的线程a,b,c,a线程执行带wait方法的synchronized代码块然后bb线程执行带notify方法的synchronized代码块紧接着c执行带notify方法的synchronized代码块。

运行效果如下：

这也验证了我们刚开始的结论：必须执行完notify()方法所在的synchronized代码块后才释放。

2.4 当interrupt方法遇到wait方法

当线程呈wait状态时，对线程对象调用interrupt方法会出现InterrupedException异常。

Service.java

public class Service {
    public void testMethod(Object lock) {
        try {
            synchronized (lock) {
                System.out.println("begin wait()");
                lock.wait();
                System.out.println("  end wait()");
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
            System.out.println("出现异常了，因为呈wait状态的线程被interrupt了！");
        }
    }
}

ThreadA.java

public class ThreadA extends Thread {

    private Object lock;

    public ThreadA(Object lock) {
        super();
        this.lock = lock;
    }

    @Override
    public void run() {
        Service service = new Service();
        service.testMethod(lock);
    }

}

Test.java

public class Test {

    public static void main(String[] args) {

        try {
            Object lock = new Object();

            ThreadA a = new ThreadA(lock);
            a.start();

            Thread.sleep(5000);

            a.interrupt();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }

}

运行结果：

参考：

《Java多线程编程核心技术》

《Java并发编程的艺术》

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