Java使用wait/notify实现线程间通信上篇
作者：爱吃南瓜糕的北络
线程是操作系统中独立的个体，但这些个体如果不经过特殊的处理就不能成为一个整体。线程间的通信就是成为整体的必用方案之一，使用线程间进行通信后，系统之间的交互性会更强大，大大提高CPU利用率。
等待/通知机制
（1）不使用等待/通知机制实现线程间通信
样例代码如下：
public class TestC2 {
public static void main(String[] args) throws Exception {
MyList myList = new MyList();
ThreadA threadA = new ThreadA(myList);
threadA.setName("A");
ThreadB threadB = new ThreadB(myList);
threadB.setName("B");
threadB.start();
threadA.start();
}
}
class MyList {
volatile private List list = new ArrayList();
public void add() {
list.add("NanJing");
}
public int size() {
return list.size();
}
}
class ThreadA extends Thread {
private MyList myList;
public ThreadA(MyList myList) {
this.myList = myList;
}
@Override
public void run() {
try {
for (int i=0; i<10; i++) {
myList.add();
System.out.println("添加了" + (i+1) + "个元素");
Thread.sleep(1000);
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
class ThreadB extends Thread {
private MyList myList;
public ThreadB(MyList myList) {
this.myList = myList;
}
@Override
public void run() {
try {
while (true) {
int myListSize = myList.size();
if (myListSize == 5) {
System.out.println("myList长度等于5了，线程需要退出了");
throw new InterruptedException();
}
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}执行结果：
分析：
程序运行后的效果如上图所示：
虽然 ThreadA 和 ThreadB 实现了通信，但有一个弊端就是，ThreadB 需要不停地通过 while 语句轮询机制来检测某一个条件，这样会浪费CPU资源。
如果轮询的时间间隔很小，更浪费CPU资源；如果轮询的时间间隔很大，有可能会取不到想要得到的数据。所以就需要有一种机制来实现减少CPU的资源浪费，而且还可以实现在多个线程间通信，它就是 “等待/通知”（wait/notify）机制。
（2）什么是等待/通知机制
等待/通知机制在生活中比比皆是，比如在就餐时就会出现
厨师和服务员之间的交互要在 “菜品传递台”上，在这期间会有几个问题：
问题一：厨师做完一道菜的时间不确定，所以厨师将菜品放到“菜品传递台”上的时间也不确定。
问题二：服务员取到菜的时间取决于厨师，所以服务员就有“等待”（wait）的状态。
问题三：服务员如何能取到菜呢？这又得取决于厨师，厨师将菜放在“菜品传递台”上，其实就相当于一种通知（notfiy），这时服务员才可以拿到菜并交给就餐者。
问题四：在这个过程中出现了“等待/通知”机制。
（3）等待/通知机制的实现
方法wait()的作用是使当前执行代码的线程进行等待，wait()方法是Object类的方法，该方法用来将当前线程置入“预执行队列”中，并且在wait()所在的代码行处停止执行，直到接到通知或被中断为止。在调用wait()之前，线程必须获取该对象的对象级别锁，即只能在同步方法或同步块中调用wait()方法。在执行wait()方法后，当前线程释放锁。在从wait()返回前，线程与其他线程竞争重新获得锁。如果调用wait()时没有持有适当的锁，则抛出 IllegalMonitorStateException，它是 RuntimeException的一个子类，因此，不需要 try-catch 语句进行捕捉异常。
方法notify()也要在同步方法或同步块中调用，即在调用前，线程也必须获取该对象的对象级别锁。如果调用notify()时没有持有适当的锁，也会抛出IllegalMonitorStateException。该方法用来通知那些可能等待该对象的对象锁的其他线程，如果有多个线程等待，则由线程规划器随机挑选出其中一个呈wait状态的线程，对其发出通知notify，并是它等待获取该对象的对象锁。需要说明是：在执行notify()方法后，当前线程不会马上释放该对象锁，呈wait状态的线程也并不能马上获取该对象锁，要等到执行notify()方法的线程将程序执行完，也就是退出synchronized代码块后，当前线程才会释放锁，而呈wait状态所在的线程才可以获取该对象锁。当第一个获得了该对象锁的wait线程运行完毕以后，它会释放掉该对象锁，此时如果该对象没有再次使用notify语句，则几遍该对象已经空闲，其他wait状态等待的线程由于没有得到该对象的通知，还会继续阻塞在wait状态，直到这个对象发出一个notify 或 notifyAll。
总结一下：
wait：使线程停止运行
notify：使停止的线程继续运行
验证1：在调用wait()之前，线程必须获取该对象的对象级别锁，即只能在同步方法或同步块中调用wait()方法。如果调用wait()时没有持有适当的锁，则抛出IllegalMonitorStateException。
@Test
public void test1() {
try {
String str = new String("");
str.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}执行结果：
验证2：调用了wait()，线程会在调用wait()所在的代码行处停止执行，直到接到通知或被中断为止。
@Test
public void test2() {
String lockStr = new String("");
System.out.println("sync 上面");
try {
synchronized (lockStr) {
System.out.println("进入 sync");
lockStr.wait();
System.out.println("wait 下的代码");
}
System.out.println("sync 下面的代码");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}执行结果：
结果分析：
线程执行了wait()方法后，程序就停止不前，不继续向下运行了。如何使呈等待wait状态的线程继续运行呢？答案就是使用notify()方法。
@Test
public void test3() {
try {
Object lock = new Object();
ThreadC3A threadC3A = new ThreadC3A(lock);
threadC3A.start();
Thread.sleep(3000);
ThreadC3B threadC3B = new ThreadC3B(lock);
threadC3B.start();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
class ThreadC3A extends Thread {
private Object lock;
public ThreadC3A(Object lock) {
this.lock = lock;
}
@Override
public void run() {
try {
synchronized (lock) {
System.out.println("开始 wait，Time=[" + System.currentTimeMillis() + "]");
lock.wait();
System.out.println("结束 wait，Time=[" + System.currentTimeMillis() + "]");
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
class ThreadC3B extends Thread {
private Object lock;
public ThreadC3B(Object lock) {
this.lock = lock;
}
@Override
public void run() {
synchronized (lock) {
System.out.println("开始 notify，Time=[" + System.currentTimeMillis() + "]");
lock.notify();
System.out.println("结束 notify，Time=[" + System.currentTimeMillis() + "]");
}
}
}
执行结果：
开始 wait，Time=[1659520582642]
开始 notify，Time=[1659520585652]
结束 notify，Time=[1659520585652]
结束 wait，Time=[1659520585656]
验证3：notify方法用来通知那些可能等待该对象的对象锁的其他线程，如果有多个线程等待，则有线程规划器随机挑选出其中一个呈wait状态的线程，对其发出通知notify，并使它等待获取该对象的对象锁。
public class TestC5 {
@Test
public void test1() {
Object obj = new Object();
MyArrayList list = new MyArrayList();
ThreadC5B threadC5B = new ThreadC5B(obj, list);
threadC5B.start();
ThreadC5C threadC5C = new ThreadC5C(obj, list);
threadC5C.start();
ThreadC5A threadC5A = new ThreadC5A(obj, list);
threadC5A.start();
while (Thread.activeCount() > 1) {
}
}
}
class ThreadC5A extends Thread {
private Object lock;
private MyArrayList list;
public ThreadC5A(Object lock, MyArrayList list) {
this.lock = lock;
this.list = list;
}
@Override
public void run() {
try {
synchronized (lock) {
for (int i=0; i<10; i++) {
list.add();
System.out.println("ThreadC5A 新增第[" + (i+1) + "]个元素");
if (list.size() == 5) {
lock.notify();
System.out.println("ThreadC5A 发出通知，通知等待的线程 ThreadC5B 或 ThreadC5C");
}
Thread.sleep(1000);
}
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
class ThreadC5B extends Thread {
private Object lock;
private MyArrayList list;
public ThreadC5B(Object lock, MyArrayList list) {
this.lock = lock;
this.list = list;
}
@Override
public void run() {
try {
while (true) {
synchronized (lock) {
System.out.println("ThreadC5B 等待被通知");
lock.wait();
System.out.println("ThreadC5B 收到通知，退出");
return;
}
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
class ThreadC5C extends Thread {
private Object lock;
private MyArrayList list;
public ThreadC5C(Object lock, MyArrayList list) {
this.lock = lock;
this.list = list;
}
@Override
public void run() {
try {
while (true) {
synchronized (lock) {
System.out.println("ThreadC5C 等待被通知");
lock.wait();
System.out.println("ThreadC5C 收到通知，退出");
return;
}
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}执行结果：
结果分析：
可以看到处于wait状态的ThreadC5B线程被通知到继续执行，而ThreadC5C线程则一直将处于wait状态，无法继续执行。倘若我们将ThreadC5A线程中的 lock.notify() 改写为 lock.notifyAll()，则结果就不一样，如图所示：
发现ThreadC5B 和 ThreadC5C线程均获取到了对象锁，完成了wait()后面代码的执行。
验证4：上图的结果还可以验证在执行notify()方法后，当前线程不会马上释放该对象锁，呈wait状态的线程也并不能马上获取该对象锁，要等到执行notify()方法的线程将程序执行完，也就是退出synchronized代码块后，当前线程才会释放锁，而呈wait状态所在的线程才可以获取该对象锁。
结果分析：
可以看出 ThreadC5A 线程在list 长度为5的时候，则通知了 ThreadC5B 和 ThreadC5C 两个处于wait状态的线程，但是 ThreadC5B 和 ThreadC5C 线程并没有立马继续执行，因为此时 ThreadC5A 并没有释放对象锁，而是继续执行 synchronized的代码块，直到退出synchronized代码块后，ThreadC5A 才释放了对象锁，ThreadC5B 和 ThreadC5C 获得对象锁，才得以继续执行后续代码。
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