Java 线程通信之 wait/notify 机制

2020-05-15 652

前言

Java 线程通信是将多个独立的线程个体进行关联处理，使得线程与线程之间能进行相互通信。比如线程 A 修改了对象的值，然后通知给线程 B，使线程 B 能够知道线程 A 修改的值，这就是线程通信。

wait/notify 机制

一个线程调用 Object 的 wait() 方法，使其线程被阻塞；另一线程调用 Object 的 notify()/notifyAll() 方法，wait() 阻塞的线程继续执行。

wai/notify 方法

方法	说明
wait()	当前线程被阻塞，线程进入 WAITING 状态
wait(long)	设置线程阻塞时长，线程会进入 TIMED_WAITING 状态。如果设置时间内（毫秒）没有通知，则超时返回
wait(long, int)	纳秒级别的线程阻塞时长设置
notify()	通知同一个对象上已执行 wait() 方法且获得对象锁的等待线程
notifyAll()	通知同一对象上所有等待的线程

实现 wait/notify 机制的条件：

调用 wait 线程和 notify 线程必须拥有相同对象锁。
wait() 方法和 notify()/notifyAll() 方法必须在 Synchronized 方法或代码块中。

由于 wait/notify 方法是定义在java.lang.Object中，所以在任何 Java 对象上都可以使用。

wait 方法

在执行 wait() 方法前，当前线程必须已获得对象锁。调用它时会阻塞当前线程，进入等待状态，在当前 wait() 处暂停线程。同时，wait() 方法执行后，会立即释放获得的对象锁。

下面通过案例来查看 wait() 释放锁。

首先查看不使用 wait() 方法时的代码执行情况：

package top.ytao.demo.thread.waitnotify;

/**
 * Created by YangTao
 */
public class WaitTest {
    
    static Object object = new Object();
    
    public static void main(String[] args) {

        new Thread(() -> {
            synchronized (object){
                System.out.println("开始线程 A");
                try {
                    Thread.sleep(2000L);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("结束线程 A");
            }
        }, "线程 A").start();


        new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(500L);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            synchronized (object){
                System.out.println("开始线程 B");

                System.out.println("结束线程 B");
            }
        }, "线程 B").start();

    }

}

创建 A、B 两个线程，。首先在 B 线程创建后 sleep ，保证 B 线程的打印后于 A 线程执行。在 A 线程中，获取到对象锁后，sleep 一段时间，且时间大于 B 线程的 sleep 时间。

执行结果为：

从上图结果中，可以看到，B 线程一定等 A 线程执行完 synchronize 代码块释放对象锁后 A 线程再获取对象锁进入 synchronize 代码块中。在这过程中，Thread.sleep() 方法也不会释放锁。

当前在 A 线程 synchronize 代码块中执行 wait() 方法后，就会主动释放对象锁，A 线程代码如下：

new Thread(() -> {
    synchronized (object){
        System.out.println("开始线程 A");
        try {
            // 调用 object 对象的 wait 方法
            object.wait();
            Thread.sleep(2000L);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("结束线程 A");
    }
}, "线程 A").start();

执行结果：

同时 A 线程一直处于阻塞状态，不会打印结束线程 A。

wait(long) 方法是设置超时时间，当等待时间大于设置的超时时间后，会继续往 wait(long) 方法后的代码执行。

new Thread(() -> {
    synchronized (object){
        System.out.println("开始线程 A");
        try {
            object.wait(1000);
            Thread.sleep(2000L);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("结束线程 A");
    }
}, "线程 A").start();

执行结果

同理，wait(long, int) 方法与 wait(long) 同样，只是多个纳秒级别的时间设置。

notify 方法

同样，在执行 notify() 方法前，当前线程也必须已获得线程锁。调用 notify() 方法后，会通知一个执行了 wait() 方法的阻塞等待线程，使该等待线程重新获取到对象锁，然后继续执行 wait() 后面的代码。但是，与 wait() 方法不同，执行 notify() 后，不会立即释放对象锁，而需要执行完 synchronize 的代码块或方法才会释放锁，所以接收通知的线程也不会立即获得锁，也需要等待执行 notify() 方法的线程释放锁后再获取锁。

notify()

下面是 notify() 方法的使用，实现一个完整的 wait/notify 的例子，同时验证发出通知后，执行 notify() 方法的线程是否立即释放锁，执行 wait() 方法的线程是否立即获取锁。

package top.ytao.demo.thread.waitnotify;

/**
 * Created by YangTao
 */
public class WaitNotifyTest {

    static Object object = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println();

        new Thread(() -> {
            synchronized (object){
                System.out.println("开始线程 A");
                try {
                    object.wait();
                    System.out.println("A 线程重新获取到锁，继续进行");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("结束线程 A");
            }
        }, "线程 A").start();


        new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(500L);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            synchronized (object){
                System.out.println("开始线程 B");
                object.notify();
                System.out.println("线程 B 通知完线程 A");
                try {
                    // 试验执行完 notify() 方法后，A 线程是否能立即获取到锁
                    Thread.sleep(2000L);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("结束线程 B");
            }
        }, "线程 B").start();

    }

}

以上 A 线程执行 wait() 方法，B 线程执行 notify() 方法，执行结果为：

执行结果中可以看到，B 线程执行 notify() 方法后，即使 sleep 了，A 线程也没有获取到锁，可知，notify() 方法并没有释放锁。

notify() 是通知到等待中的线程，但是调用一次 notify() 方法，只能通知到一个执行 wait() 方法的等待线程。如果有多个等待状态的线程，则需多次调用 notify() 方法，通知到线程顺序则根据执行 wait() 方法的先后顺序进行通知。

下面创建有两个执行 wait() 方法的线程的代码：

package top.ytao.demo.thread.waitnotify;

/**
 * Created by YangTao
 */
public class MultiWaitNotifyTest {

    static Object object = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println();

        new Thread(() -> {
            synchronized (object){
                System.out.println("开始线程 A");
                try {
                    object.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("结束线程 A");
            }
        }, "线程 A").start();


        new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(500L);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            synchronized (object){
                System.out.println("开始线程 B");
                try {
                    object.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("结束线程 B");
            }
        }, "线程 B").start();


        new Thread(() -> {
            try {
                Thread.sleep(3000L);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            synchronized (object){
                System.out.println("开始通知线程 C");
                object.notify();
                object.notify();
                System.out.println("结束通知线程 C");
            }
        }, "线程 C").start();

    }

}

先 A 线程执行 wait() 方法，然后 B 线程执行 wait() 方法，最后 C 线程调用两次 notify() 方法，执行结果：

notifyAll()

通知多个等待状态的线程，通过多次调用 notify() 方法实现的方案，在实际应用过程中，实现过程不太友好，如果是想通知所有等待状态的线程，可使用 notifyAll() 方法，就能唤醒所有线程。

实现方式，只需将上面 C 线程的多次调用 notify() 方法部分改为调用一次 notifyAll() 方法即可。

new Thread(() -> {
    try {
        Thread.sleep(3000L);
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
    synchronized (object){
        System.out.println("开始通知线程 C");
        object.notifyAll();
        System.out.println("结束通知线程 C");
    }
}, "线程 C").start();

执行结果：

根据不同 JVM 的实现，notifyAll() 的唤醒顺序会有所不同，当前测试环境中，以倒序顺序唤醒线程。

实现生产者消费者模式

生产消费者模式就是一个线程生产数据进行存储，另一线程进行数据提取消费。下面就以两个线程来模拟，生产者生成一个 UUID 存放到 List 对象中，消费者读取 List 对象中的数据，读取完成后进行清除。

实现代码如下：

package top.ytao.demo.thread.waitnotify;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.UUID;

/**
 * Created by YangTao
 */
public class WaitNotifyModelTest {

    // 存储生产者产生的数据
    static List<String> list = new ArrayList<>();

    public static void main(String[] args) {

        new Thread(() -> {
            while (true){
                synchronized (list){
                    // 判断 list 中是否有数据，如果有数据的话，就进入等待状态，等数据消费完
                    if (list.size() != 0){
                        try {
                            list.wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }

                    // list 中没有数据时，产生数据添加到 list 中
                    list.add(UUID.randomUUID().toString());
                    list.notify();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + list);
                }
            }
        }, "生产者线程 A ").start();


        new Thread(() -> {
            while (true){
                synchronized (list){
                    // 如果 list 中没有数据，则进入等待状态，等收到有数据通知后再继续运行
                    if (list.size() == 0){
                        try {
                            list.wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }

                    // 有数据时，读取数据
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + list);
                    list.notify();
                    // 读取完毕，将当前这条 UUID 数据进行清除
                    list.clear();
                }
            }
        }, "消费者线程 B ").start();

    }

}

运行结果：

生产者线程运行时，如果已存在未消费的数据，则当前线程进入等待状态，收到通知后，表明数据已消费完，再继续向 list 中添加数据。

消费者线程运行时，如果不存在未消费的数据，则当前线程进入等待状态，收到通知后，表明 List 中已有新数据被添加，继续执行代码消费数据并清除。

不管是生产者还是消费者，基于对象锁，一次只能一个线程能获取到，如果生产者获取到锁就校验是否需要生成数据，如果消费者获取到锁就校验是否有数据可消费。

一个简单的生产者消费者模式就以完成。

总结

等待/通知机制是实现 Java 线程间通信的一种方式，将多线程中，各个独立运行的线程通过相互通信来更高效的协作完成工作，更大效率利用 CPU 处理程序。这也是学习或研究 Java 线程的必学知识点。

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