java并发编程——wait、notify、notifyAll和Condition

冷不防 2022-05-15 11:05 234阅读 0赞

### 本文转自：[https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920385.html][https_www.cnblogs.com_dolphin0520_p_3920385.html] 特此申明! ###

在前面我们将了很多关于同步的问题，然而在现实中，需要线程之间的协作。比如说最经典的生产者-消费者模型：当队列满时，生产者需要等待队列有空间才能继续往里面放入商品，而在等待的期间内，生产者必须释放对临界资源（即队列）的占用权。因为生产者如果不释放对临界资源的占用权，那么消费者就无法消费队列中的商品，就不会让队列有空间，那么生产者就会一直无限等待下去。因此，一般情况下，当队列满时，会让生产者交出对临界资源的占用权，并进入挂起状态。然后等待消费者消费了商品，然后消费者通知生产者队列有空间了。同样地，当队列空时，消费者也必须等待，等待生产者通知它队列中有商品了。这种互相通信的过程就是线程间的协作。

今天我们就来探讨一下Java中线程协作的最常见的两种方式：利用Object.wait()、Object.notify()和使用Condition

以下是本文目录大纲：

一.wait()、notify()和notifyAll()

二.Condition

三.生产者-消费者模型的实现

## 一.wait()、notify()和notifyAll() ##

wait()、notify()和notifyAll()是**Object**类中的方法：

/**
     * Wakes up a single thread that is waiting on this object's
     * monitor. If any threads are waiting on this object, one of them
     * is chosen to be awakened. The choice is arbitrary and occurs at
     * the discretion of the implementation. A thread waits on an object's
     * monitor by calling one of the wait methods
     */
    public final native void notify();
     
    /**
     * Wakes up all threads that are waiting on this object's monitor. A
     * thread waits on an object's monitor by calling one of the
     * wait methods.
     */
    public final native void notifyAll();
     
    /**
     * Causes the current thread to wait until either another thread invokes the
     * {@link java.lang.Object#notify()} method or the
     * {@link java.lang.Object#notifyAll()} method for this object, or a
     * specified amount of time has elapsed.
     * <p>
     * The current thread must own this object's monitor.
     */
    public final native void wait(long timeout) throws InterruptedException;

从这三个方法的文字描述可以知道以下几点信息：

1）wait()、notify()和notifyAll()方法是本地方法，并且为final方法，无法被重写。

2）调用某个对象的wait()方法能让当前线程阻塞，并且当前线程必须拥有此对象的monitor（即锁）

3）调用某个对象的notify()方法能够唤醒一个正在等待这个对象的monitor的线程，如果有多个线程都在等待这个对象的monitor，则只能唤醒其中一个线程；

4）调用notifyAll()方法能够唤醒所有正在等待这个对象的monitor的线程；

有朋友可能会有疑问：为何这三个不是Thread类声明中的方法，而是Object类中声明的方法（当然由于Thread类继承了Object类，所以Thread也可以调用者三个方法）？其实这个问题很简单，由于每个对象都拥有monitor（即锁），所以让当前线程等待某个对象的锁，当然应该通过这个对象来操作了。而不是用当前线程来操作，因为当前线程可能会等待多个线程的锁，如果通过线程来操作，就非常复杂了。

上面已经提到，如果调用某个对象的wait()方法，当前线程必须拥有这个对象的monitor（即锁），因此调用wait()方法必须在同步块或者同步方法中进行（synchronized块或者synchronized方法）。

调用某个对象的wait()方法，相当于让当前线程交出此对象的monitor，然后进入等待状态，等待后续再次获得此对象的锁（Thread类中的sleep方法使当前线程暂停执行一段时间，从而让其他线程有机会继续执行，但它并不释放对象锁）；

notify()方法能够唤醒一个正在等待该对象的monitor的线程，当有多个线程都在等待该对象的monitor的话，则只能唤醒其中一个线程，具体唤醒哪个线程则不得而知。

**同样地，调用某个对象的notify()方法，当前线程也必须拥有这个对象的monitor，**因此调用notify()方法必须在同步块或者同步方法中进行（synchronized块或者synchronized方法）。

nofityAll()方法能够唤醒所有正在等待该对象的monitor的线程，这一点与notify()方法是不同的。

这里要注意一点：**notify()和notifyAll()方法只是唤醒等待该对象的monitor的线程，并不决定哪个线程能够获取到monitor。**

举个简单的例子：假如有三个线程Thread1、Thread2和Thread3都在等待对象objectA的monitor，此时Thread4拥有对象objectA的monitor，当在Thread4中调用objectA.notify()方法之后，Thread1、Thread2和Thread3只有一个能被唤醒。注意，被唤醒不等于立刻就获取了objectA的monitor。假若在Thread4中调用objectA.notifyAll()方法，则Thread1、Thread2和Thread3三个线程都会被唤醒，至于哪个线程接下来能够获取到objectA的monitor就具体依赖于操作系统的调度了。

上面尤其要注意一点，**一个线程被唤醒不代表立即获取了对象的monitor，只有等调用完notify()或者notifyAll()并退出synchronized块，释放对象锁后，其余线程才可获得锁执行。**

public class Test {
        public static Object object = new Object();
    
        static class Thread1 extends Thread{
            @Override
            public void run() {
                synchronized (object) {
                    try {
                        object.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                    }
                    System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"获取到了锁");
                }
            }
        }
    
        static class Thread2 extends Thread{
            @Override
            public void run() {
                synchronized (object) {
                    object.notify();
                    System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"调用了object.notify()");
                    System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"释放了锁");
                }
    
    
            }
        }
    
    
        public static void main(String[] args) {
            Thread1 thread1 = new Thread1();
            Thread2 thread2 = new Thread2();
    
            thread1.start();
    
            try {
                Thread.sleep(200);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
    
            thread2.start();
        }
    
    }
    
    
    
    结果：
    线程Thread-1调用了object.notify()
    线程Thread-1释放了锁
    线程Thread-0获取到了锁

无论运行多少次，运行结果都一样！

## 二.Condition ##

Condition是在java 1.5中才出现的，它用来替代传统的Object的wait()、notify()实现线程间的协作，**相比使用Object的wait()、notify()，使用Condition1的 await()、signal()这种方式实现线程间协作更加安全和高效**。因此通常来说比较推荐使用Condition，在阻塞队列那一篇博文中就讲述到了，阻塞队列实际上是使用了Condition来模拟线程间协作。

*  Condition是个接口，基本的方法就是await()和signal()方法；
 *  Condition依赖于Lock接口，生成一个Condition的基本代码是lock.newCondition() 
 *  调用Condition的await()和signal()方法，都必须在lock保护之内，**就是说必须在lock.lock()和lock.unlock之间才可以使用**

Conditon中的await()对应Object的wait()；

Condition中的signal()对应Object的notify()；

Condition中的signalAll()对应Object的notifyAll()。

## 三.生产者-消费者模型的实现 ##

1.使用Object的wait()和notify()实现：

public class Test {
        private int queueSize = 10;
        private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<Integer>(queueSize);
          
          
        class Consumer extends Thread{
              
            @Override
            public void run() {
                consume();
            }
              
            private void consume() {
                while(true){
                    synchronized (queue) {
                        while(queue.size() == 0){
                            try {
                                System.out.println("队列空，等待数据");
                                queue.wait();
                            } catch (InterruptedException e) {
                                e.printStackTrace();
                                queue.notify();
                            }
                        }
                        queue.poll();          //每次移走队首元素
                        queue.notify();
                        System.out.println("从队列取走一个元素，队列剩余"+queue.size()+"个元素");
                    }
                }
            }
        }
          
        class Producer extends Thread{
              
            @Override
            public void run() {
                produce();
            }
              
            private void produce() {
                while(true){
                    synchronized (queue) {
                        while(queue.size() == queueSize){
                            try {
                                System.out.println("队列满，等待有空余空间");
                                queue.wait();
                            } catch (InterruptedException e) {
                                e.printStackTrace();
                                queue.notify();
                            }
                        }
                        queue.offer(1);        //每次插入一个元素
                        queue.notify();
                        System.out.println("向队列取中插入一个元素，队列剩余空间："+(queueSize-queue.size()));
                    }
                }
            }
        }
    
    
    
        public static void main(String[] args)  {
            Test test = new Test();
            Producer producer = test.new Producer();
            Consumer consumer = test.new Consumer();
              
            producer.start();
            consumer.start();
        }
    }
    
    
    
    结果：
    向队列取中插入一个元素，队列剩余空间：9
    向队列取中插入一个元素，队列剩余空间：8
    向队列取中插入一个元素，队列剩余空间：7
    向队列取中插入一个元素，队列剩余空间：6
    向队列取中插入一个元素，队列剩余空间：5
    向队列取中插入一个元素，队列剩余空间：4
    向队列取中插入一个元素，队列剩余空间：3
    向队列取中插入一个元素，队列剩余空间：2
    向队列取中插入一个元素，队列剩余空间：1
    向队列取中插入一个元素，队列剩余空间：0
    队列满，等待有空余空间
    从队列取走一个元素，队列剩余9个元素
    从队列取走一个元素，队列剩余8个元素
    从队列取走一个元素，队列剩余7个元素
    从队列取走一个元素，队列剩余6个元素
    从队列取走一个元素，队列剩余5个元素
    从队列取走一个元素，队列剩余4个元素
    从队列取走一个元素，队列剩余3个元素
    从队列取走一个元素，队列剩余2个元素
    从队列取走一个元素，队列剩余1个元素
    从队列取走一个元素，队列剩余0个元素
    队列空，等待数据
    向队列取中插入一个元素，队列剩余空间：9
    向队列取中插入一个元素，队列剩余空间：8
    向队列取中插入一个元素，队列剩余空间：7
    (一直循环。。。。。。。）

2.使用Condition实现

public class Test {
        private int queueSize = 10;
        private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<Integer>(queueSize);
        private Lock lock = new ReentrantLock();
        private Condition notFull = lock.newCondition();
        private Condition notEmpty = lock.newCondition();
         
    
        class Consumer extends Thread{
              
            @Override
            public void run() {
                consume();
            }
              
            private void consume() {
                while(true){
                    lock.lock();
                    try {
                        while(queue.size() == 0){
                            try {
                                System.out.println("队列空，等待数据");
                                notEmpty.await();
                            } catch (InterruptedException e) {
                                e.printStackTrace();
                            }
                        }
                        queue.poll();                //每次移走队首元素
                        notFull.signal();
                        System.out.println("从队列取走一个元素，队列剩余"+queue.size()+"个元素");
                    } finally{
                        lock.unlock();
                    }
                }
            }
        }
          
        class Producer extends Thread{
              
            @Override
            public void run() {
                produce();
            }
              
            private void produce() {
                while(true){
                    lock.lock();
                    try {
                        while(queue.size() == queueSize){
                            try {
                                System.out.println("队列满，等待有空余空间");
                                notFull.await();
                            } catch (InterruptedException e) {
                                e.printStackTrace();
                            }
                        }
                        queue.offer(1);        //每次插入一个元素
                        notEmpty.signal();
                        System.out.println("向队列取中插入一个元素，队列剩余空间："+(queueSize-queue.size()));
                    } finally{
                        lock.unlock();
                    }
                }
            }
        }
    
    
    
        public static void main(String[] args)  {
            Test test = new Test();
            Producer producer = test.new Producer();
            Consumer consumer = test.new Consumer();
              
            producer.start();
            consumer.start();
        }
          
    }

[https_www.cnblogs.com_dolphin0520_p_3920385.html]: https://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920385.html