多线程系列(六) -等待和通知模型详解

2024-02-22 18:07 由程序员志哥发表于 #后端开发

一、简介

在之前的线程系列文章中，我们介绍了synchronized和volatile关键字，使用它能解决线程同步的问题，但是它们无法解决线程之间协调和通信的问题。

举个简单的例子，比如线程 A 负责将 int 型变量 i 值累加操作到 10000，然后通知线程 B 负责把结果打印出来。

这个怎么实现呢？其中一个最简单的办法就是，线程 B 不断的通过轮询方式while(i == 10000)检查是否满足条件，这样就可以实现了。

虽然这种方式可以实现需求，但是也带来了另一个问题：线程 B 中的while()操作不会释放 CPU 资源，会导致 CPU 一直在这个方法上做判断操作，极大的浪费 CPU 资源。

我们知道 CPU 资源是非常非常昂贵的，因为使用 CPU 资源不只是当前一个应用程序，还有其它许许多多的应用程序。如果把这些轮询的时间释放出来，给别的线程使用，更能显著提升应用程序的运行效率。比如，线程 A 操作完成之后，通知线程 B 进行后续的操作，线程 B 无需通过轮询检查的方式来完成线程之间的协调，这样是不是更好。

在 Java 的父类中，也就是Object类中，就有三个方法：wait()、notify()、notifyAll()，它们就可以实现线程之间的通信。

如果没有接触多线程，这些方法可能基本上使用不到。下面我们一起来看看它们的使用方式！

二、方法介绍

wait()

wait()方法，顾名思义，表示等待的意思，它的作用是：使执行当前代码的线程进入阻塞状态，将当前线程置入"预执行队列"中，并且wait()所在的代码处停止执行，直到接到通知或被中断。

不过有个前提，在调用wait()方法之前，线程必须获得该对象的锁，因此只能在synchronized修饰的同步方法/同步代码块中调用wait()方法；同时，wait()方法执行后，会立即释放获得的对象锁以便其它线程使用，当前线程被阻塞，进入等待状态。

至于wait()为什么有阻塞的效果，其内部机制非常复杂，主要由 JVM 的 C 代码实现，大家了解就行。

notify()

notify()方法，顾名思义，表示通知的意思，它的作用是：让处于同一监视器下的等待线程被重新唤醒，如果有多个线程等待，那么随机挑选出一个等待的线程，对其发出通知notify()，并使它等待获取该对象的对象锁。

注意“等待获取该对象的对象锁”，这意味着即使收到了通知，等待的线程也不会马上获取对象锁，必须等待notify()方法的线程释放锁才可以。

调用环境和wait()一样，notify()也要在synchronized修饰的同步方法/同步代码块中调用。

notifyAll()

notifyAll()方法，顾名思义，也是表示通知的意思，它的作用是：让所有处于同一监视器下的等待线程被重新唤醒，notify()方法只会随机的唤醒一个线程，而使用notifyAll()方法将一次性全部唤醒。

通常来说，notifyAll()方法更安全，因为当我们的代码逻辑考虑不周的时候，使用notify()会导致只唤醒了一个线程，而其他线程可能永远等待下去醒不过来了。

调用环境和notify()一样，notifyAll()也要在synchronized修饰的同步方法/同步代码块中调用。

三个方法总结下来就是：

1.wait()方法，使线程阻塞，进入等待状态
2.notify()方法，唤醒处于等待的线程，如果有多个线程就随机从中取一个
3.notifyAll()方法，唤醒所有处于等待的线程

2.1、wait/notify/notifyAll 使用介绍

通常wait()方法，一般与notify()或者notifyAll()搭配使用比较多。

下面我们看一个简单的示例。

public class MyThreadA extends Thread{

    private Object lock;

    public MyThreadA(Object lock) {
        this.lock = lock;
    }

    @Override
    public void run() {
        synchronized (lock){
            System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 当前线程：" + Thread.currentThread().getName() + " wait begin");
            try {
                // 进入阻塞等待
                lock.wait();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 当前线程：" + Thread.currentThread().getName() + " wait end");
        }
    }
}

public class MyThreadB extends Thread{

    private Object lock;

    public MyThreadB(Object lock) {
        this.lock = lock;
    }

    @Override
    public void run() {
        synchronized (lock){
            System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 当前线程：" + Thread.currentThread().getName() + " notify begin");
            // 唤醒其它等待线程
            lock.notify();
            System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 当前线程：" + Thread.currentThread().getName() + " notify end");
        }
    }
}

public class MyThreadTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object lock = new Object();
        MyThreadA threadA = new MyThreadA(lock);
        threadA.start();

        //过3秒再启动下一个线程
        Thread.sleep(3000);

        MyThreadB threadB = new MyThreadB(lock);
        threadB.start();
    }
}

运行服务，输出结果如下：

2023-09-28 16:42:19 当前线程：Thread-0 wait begin
2023-09-28 16:42:22 当前线程：Thread-1 notify begin
2023-09-28 16:42:22 当前线程：Thread-1 notify end
2023-09-28 16:42:22 当前线程：Thread-0 wait end

从日志上可以得出，threadA线程先启动，然后进入阻塞状态，过了 3 秒之后，再启动threadB线程，运行结束之后，通知threadA线程可以获取对象锁，最后执行完毕。

整个线程之间的协调和通信，大体就是这样的。

假如我们把threadA线程数量增加到 5 个，再来看看运行效果。

public class MyThreadTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object lock = new Object();
        // 创建5个wait线程
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            MyThreadA threadA = new MyThreadA(lock);
            threadA.start();
        }

        //过3秒再启动下一个线程
        Thread.sleep(3000);

        MyThreadB threadB = new MyThreadB(lock);
        threadB.start();
    }
}

运行服务，输出结果如下：

2023-09-28 17:02:05 当前线程：Thread-0 wait begin
2023-09-28 17:02:05 当前线程：Thread-4 wait begin
2023-09-28 17:02:05 当前线程：Thread-3 wait begin
2023-09-28 17:02:05 当前线程：Thread-2 wait begin
2023-09-28 17:02:05 当前线程：Thread-1 wait begin
2023-09-28 17:02:08 当前线程：Thread-5 notify begin
2023-09-28 17:02:08 当前线程：Thread-5 notify end
2023-09-28 17:02:08 当前线程：Thread-0 wait end

从日志中，可以很清晰的看到，当多个线程处于等待状态时，调用notify()方法，只会唤醒其中一个等待的线程；同时服务无法关闭，因为剩下的 4 个线程一直处于阻塞状态。

假如我们把MyThreadB类中的lock.notify()方法改成lock.notifyAll()方法，再看看效果怎样。

public class MyThreadB extends Thread{

    private Object lock;

    public MyThreadB(Object lock) {
        this.lock = lock;
    }

    @Override
    public void run() {
        synchronized (lock){
            System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 当前线程：" + Thread.currentThread().getName() + " notify begin");
            // 唤醒所有等待的线程
            lock.notifyAll();
            System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 当前线程：" + Thread.currentThread().getName() + " notify end");
        }
    }
}

运行服务，输出结果如下：

2023-09-28 17:18:13 当前线程：Thread-0 wait begin
2023-09-28 17:18:13 当前线程：Thread-4 wait begin
2023-09-28 17:18:13 当前线程：Thread-3 wait begin
2023-09-28 17:18:13 当前线程：Thread-2 wait begin
2023-09-28 17:18:13 当前线程：Thread-1 wait begin
2023-09-28 17:18:16 当前线程：Thread-5 notify begin
2023-09-28 17:18:16 当前线程：Thread-5 notify end
2023-09-28 17:18:16 当前线程：Thread-1 wait end
2023-09-28 17:18:16 当前线程：Thread-2 wait end
2023-09-28 17:18:16 当前线程：Thread-3 wait end
2023-09-28 17:18:16 当前线程：Thread-4 wait end
2023-09-28 17:18:16 当前线程：Thread-0 wait end

从日志上可以很清晰的看到，3 秒后所有处于等待的线程都被唤醒，并且服务运行结束。

2.2、wait 释放锁介绍

在多线程的编程中，任何时候都要关注锁，因为它对当前代码执行是否安全，发挥了重要的作用。

在上面我们提到，调用wait()方法，除了让线程进入阻塞，进入等待状态以外，还会释放锁。

我们可以看一个简单的示例就知道了。

public class MyThreadA1 extends Thread{

    private Object lock;

    public MyThreadA1(Object lock) {
        this.lock = lock;
    }

    @Override
    public void run() {
        synchronized (lock){
            System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 当前线程：" + Thread.currentThread().getName() + " wait begin");
            try {
                // 进入阻塞等待
                lock.wait();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 当前线程：" + Thread.currentThread().getName() + " wait end");
        }
    }
}

public class MyThreadTest1 {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object lock = new Object();

        // 创建两个调用wait的线程
        MyThreadA1 threadA1 = new MyThreadA1(lock);
        threadA1.start();

        MyThreadA1 threadA2 = new MyThreadA1(lock);
        threadA2.start();
    }
}

运行服务，输出结果如下：

2023-09-28 17:31:56 当前线程：Thread-0 wait begin
2023-09-28 17:31:56 当前线程：Thread-1 wait begin

从日志结果可以清晰的看出，两个线程中其中一个调用lock.wait()之后，进入了阻塞状态，同时把对象锁也释放掉了，另一个线程拿到锁并进入同步代码块内，所以看到两个线程都打印了wait begin。

在Thread类中也有一个sleep()方法可以让当前线程阻塞，但是它们之间是有区别的，sleep()方法不会让当前线程释放锁。

我们可以看一个简单的例子。

public class MyThreadA1 extends Thread{

    private Object lock;

    public MyThreadA1(Object lock) {
        this.lock = lock;
    }

    @Override
    public void run() {
        synchronized (lock){
            System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 当前线程：" + Thread.currentThread().getName() + " sleep begin");
            try {
                // 进入阻塞等待
                Thread.sleep(100);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 当前线程：" + Thread.currentThread().getName() + " sleep end");
        }
    }
}

public class MyThreadTest1 {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object lock = new Object();

        // 创建两个调用sleep的线程
        MyThreadA1 threadA1 = new MyThreadA1(lock);
        threadA1.start();

        MyThreadA1 threadA2 = new MyThreadA1(lock);
        threadA2.start();
    }
}

运行服务，输出结果如下：

2023-09-28 17:55:20 当前线程：Thread-0 sleep begin
2023-09-28 17:55:21 当前线程：Thread-0 sleep end
2023-09-28 17:55:21 当前线程：Thread-1 sleep begin
2023-09-28 17:55:21 当前线程：Thread-1 sleep end

从日志上看，线程没有交替执行，而是串性执行。

2.3、notify/notifyAll 不释放锁介绍

于此对应的还有notify()和notifyAll()，调用notify()或者notifyAll()方法当前线程是不会释放锁的，只有当同步方法／同步代码块执行完毕，才会释放锁。

同样的，我们可以看一个简单的示例。

public class MyThreadA2 extends Thread{

    private Object lock;

    public MyThreadA2(Object lock) {
        this.lock = lock;
    }

    @Override
    public void run() {
        synchronized (lock){
            System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 当前线程：" + Thread.currentThread().getName() + " notify begin");
            // 唤醒其它等待线程
            lock.notify();
            System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 当前线程：" + Thread.currentThread().getName() + " notify end");
        }
    }
}

public class MyThreadTest2 {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object lock = new Object();

        // 创建两个调用notify()的线程
        MyThreadA2 threadA1 = new MyThreadA2(lock);
        threadA1.start();

        MyThreadA2 threadA2 = new MyThreadA2(lock);
        threadA2.start();
    }
}

运行服务，输出结果如下：

2023-09-28 18:11:36 当前线程：Thread-0 notify begin
2023-09-28 18:11:36 当前线程：Thread-0 notify end
2023-09-28 18:11:36 当前线程：Thread-1 notify begin
2023-09-28 18:11:36 当前线程：Thread-1 notify end

从日志结果可以清晰的看出，两个线程没有交替执行，而是串行执行。

2.4、IllegalMonitorStateException 异常介绍

虽然wait()、notify()、notifyAll()方法是在 Object 类中，理论上每个类都可以直接调用，但不是每个地方都可以随便调用，如果调用这三个方法，不在同步方法/同步代码块中，程序运行时会直接抛一次抛异常java.lang.IllegalMonitorStateException。

下面我们看一个简单的示例就知道了。

public class MyThreadTest3 {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Object lock = new Object();
        lock.wait();
    }
}

运行程序，直接抛异常。

Exception in thread "main" java.lang.IllegalMonitorStateException
	at java.lang.Object.wait(Native Method)
	at java.lang.Object.wait(Object.java:502)
	at com.example.thread.e3.MyThreadTest3.main(MyThreadTest3.java:19)

换成notify()、notifyAll()，运行结果也是一样。

三、小结

本文主要围绕线程之间的协调和通信相关技术进行一些知识总结，使用Object类中的wait()、notify()、notifyAll()方法，可以实现线程之间的协调和通信，但是它们只有在synchronized修饰的同步方法/同步代码块才会生效。如果不在同步方法/同步代码块调用，会抛java.lang.IllegalMonitorStateException异常。

文章内容难免有所遗漏，欢迎网友留言指出！

四、参考

1、廖雪峰 - wait和notify介绍

2、五月的仓颉 - wait()和notify()/notifyAll()介绍

五、写到最后

最近无意间获得一份阿里大佬写的刷题笔记，一下子打通了我的任督二脉，进大厂原来没那么难。

链接地址：技术资料笔记

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