Java線程通信之wait-notify通信方式詳解

問題：

1.線程 wait()方法使用有什麼前提？

2. 多線程之間如何進行通信？

3. Java 中 notify 和 notifyAll 有什麼區別？

4. 為什麼 wait/notify/notifyAll 這些方法不在 thread 類裡面？

5. 為什麼 wait 和 notify 方法要在同步塊中調用？

6. notify()和 notifyAll()有什麼區別？

1. 線程通信的定義

線程是操作系統調度的最小單位，有自己的棧空間，可以按照既定的代碼逐步執行，但是如果每個線程間都孤立地運行，就會造資源浪費。所以在現實中，如果需要多個線程按照指定的規則共同完成一個任務，那麼這些線程之間就需要互相協調，這個過程被稱為線程的通信。

線程的通信可以被定義為：當多個線程共同操作共享的資源時，線程間通過某種方式互相告知自己的狀態，以避免無效的資源爭奪。

線程間通信的方式可以有很多種：等待-通知、共享內存、管道流。“等待-通知”通信方式是Java中使用普遍的線程間通信方式，其經典的案例是“生產者-消費者”模式。

2. 為什麼需要wait-notify?

場景：有幾個小孩都想進入房間內使用算盤（CPU）進行計算，老王(操作系統)就使用瞭一把鎖（synchronized）讓同一時間隻有一個小孩能進入房間使用算盤，於是他們排隊進入房間。

(1) 小南最先獲取到瞭鎖，進入到房間內，但是由於條件不滿足（沒煙幹不瞭活），小南不能繼續進行計算 ，但小南如果一直占用著鎖，其它人就得一直阻塞，效率太低。

(2) 於是老王單開瞭一間休息室（調用 wait 方法），讓小南到休息室（WaitSet）等著去瞭，這時鎖釋放開， 其它人可以由老王隨機安排進屋

(3) 直到小M將煙送來，大叫一聲 [ 你的煙到瞭 ] （調用 notify 方法）

(4) 小南於是可以離開休息室，重新進入競爭鎖的隊列

java語言中“等待-通知”方式的線程間通信使用對象的wait()、notify()兩類方法來實現。每個java對象都有wait()、notify()兩類實例方法，並且wait()、notify()方法和對象的監視器是緊密相關的。

wait()、notify()兩類方法在數量上不止兩個。wait()、notify()兩類方法不屬於Thread類，而是屬於java對象實例。

3. wait方法和notify方法

java對象中的wait()、notify()兩類方法就如同信號開關，用於等待方和通知方之間的交互。

1、對象的wait()方法

對象的wait()方法的主要作用是讓當前線程阻塞並等待被喚醒。wait()方法與對象監視器緊密相關，使用wait()方法時一定要放在同步塊中。wait()方法的調用方法如下：

public class Main {
    static final Object lock = new Object();
    public static void method1() throws InterruptedException {
        synchronized( lock ) {
            lock.wait();
        }
    }
}

Object類中的wait()方法有三個版本：

(1) void wait()：當前線程調用瞭同步對象lock的wait()實例方法後，將導致當前的線程等待，當前線程進入lock的監視器WaitSet，等待被其他線程喚醒；

(2) void wait(long timeout)：限時等待。導致當前的線程等待，等待被其他線程喚醒，或者指定的時間timeout用完，線程不再等待；

(3) void wait(long timeout,int nanos)：高精度限時等待，其主要作用是更精確地控制等待時間。參數nanos是一個附加的納秒級別的等待時間；

2、對象的notify()方法

對象的notify()方法的主要作用是喚醒在等待的線程。notify()方法與對象監視器緊密相關，調用notify()方法時也需要放在同步塊中。notify()方法的調用方法如下：

public class Main {
    static final Object lock = new Object();
    public static void method1() throws InterruptedException {
        synchronized( lock ) {
            lock.notify();
        }
    }
}

notify()方法有兩個版本：

(1)void notify()：lock.notify()調用後，喚醒lock監視器等待集中的第一條等待線程；被喚醒的線程進入EntryList，其狀態從WAITING變成BLOCKED。

(2) void notifyAll()：lock.notifyAll()被調用後，喚醒lock監視器等待集中的全部等待線程，所有被喚醒的線程進入EntryList，線程狀態從WAITING變成BLOCKED。

小結：

obj.wait()：讓進入Object監視器的線程到waitset等待

obj.notify()：在Object上正在waitset等待的線程中挑一個喚醒

obj.notifyAll()：讓在Object上正在waitset等待的線程全部喚醒

4. wait方法和notify方法的原理

對象的wait()方法的核心原理大致如下：

(1) 當線程調用瞭lock（某個同步鎖對象）的wait()方法後，jvm會將當前線程加入lock監視器的WaitSet（等待集），等待被其他線程喚醒。

(2) 當前線程會釋放lock對象監視器的Owner權利，讓其他線程可以搶奪lock對象的監視器。

(3) 讓當前線程等待，其狀態變成WAITING。在線程調用瞭同步對象lock的wait()方法之後，同步對象lock的監視器內部狀態大致如圖2-15所示。

對象的notify()或者notifyAll()​​​​​​​​​​​​​​方法的原理大致如下：

(1) 當線程調用瞭lock（某個同步鎖對象）的notify()方法後，jvm會喚醒lock監視器WaitSet中的第一條等待線程。

(2) 當線程調用瞭lock的notifyAll()方法後，jvm會喚醒lock監視器WaitSet中的所有等待線程。

(3) 等待線程被喚醒後，會從監視器的WaitSet移動到EntryList，線程具備瞭排隊搶奪監視器Owner權利的資格，其狀態從WAITING變成BLOCKED。

(4) EntryList中的線程搶奪到監視器的Owner權利之後，線程的狀態從BLOCKED變成Runnable，具備重新執行的資格。

(1) Owner 線程發現條件不滿足，調用wait 方法，即可進入WaitSet，變為 WAITING 狀態 ；

(2) BLOCKED 和WAITING 的線程都處於阻塞狀態，不占用CPU時間片 ；

(3) BLOCKED：線程會在Owner 線程釋放鎖時喚醒 ；

(4) WAITING ：線程會在Owner 線程調用notify 或 notifyAll時喚醒，但喚醒後並不意味者立刻獲得鎖，仍需進入 EntryList 重新競爭；

5. wait方法和notify方法示例

1、進入Object監視器的線程才能調用wait()方法

小南並不能直接進入WaitSet休息室，而是獲取鎖進入房間後才能進入休息室，沒有鎖的話小南沒法進入房間，更沒法進入休息室。他進入休息室後就會釋放鎖，讓其他線程競爭鎖進入房間。

public class Main {
    static final Object lock = new Object();
    public static void main(String[] args) {
        synchronized (lock){
            try {
                // 隻有成為瞭monitor對象的owner,即獲得瞭對象鎖之後，才有資格進入waitset等待
                lock.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

2、進入Object監視器的線程才能調用notify()方法

小M此時獲取到瞭鎖，進入瞭房間，並喚醒瞭在休息室中等待的小王，小M如果獲取到鎖進行房間時沒有辦法喚醒在休息室等待的小王的，因為此時小M在門外，小王根本聽不到。

使用notify()喚醒等待區的一個線程：

public class Main {
    static final Object lock = new Object();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(()->{
            System.out.println("t1線程開始執行...");
            synchronized (lock){
                try {
                    // 讓t1線程在lock鎖的waitset中等待
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                // 被喚醒後，繼續執行
                System.out.println("線程t1被喚醒...");
            }
        },"t1");
        t1.start();
        Thread t2 = new Thread(()->{
            System.out.println("t2線程開始執行...");
            synchronized (lock){
                try {
                    // 讓t2線程在lock鎖的waitset中等待
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            // 被喚醒後，繼續執行
            System.out.println("線程t2被喚醒...");
        },"t2");
        t2.start();
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println("喚醒lock鎖上等待的線程...");
        synchronized (lock){
            // 主線程拿到鎖後，喚醒正在休息室中等待的某一個線程
            lock.notify();
        }
    }
}

執行結果：

t1線程開始執行…
t2線程開始執行…
喚醒lock鎖上等待的線程…
線程t1被喚醒…

使用notifyAll()喚醒等待區所有的線程：

public class Main {
    static final Object lock = new Object();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(()->{
            System.out.println("t1線程開始執行...");
            synchronized (lock){
                try {
                    // 讓t1線程在lock鎖的waitset中等待
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                // 被喚醒後，繼續執行
                System.out.println("線程t1被喚醒...");
            }
        },"t1");

        t1.start();
        Thread t2 = new Thread(()->{
            System.out.println("t2線程開始執行...");
            synchronized (lock){
                try {
                    // 讓t2線程在lock鎖的waitset中等待
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            // 被喚醒後，繼續執行
            System.out.println("線程t2被喚醒...");
        },"t2");
        t2.start();

        Thread.sleep(2000);

        System.out.println("喚醒lock鎖上等待的線程...");
        synchronized (lock){
            // 主線程拿到鎖後，喚醒正在休息室中等待的所有線程
            lock.notifyAll();
        }
    }
}

執行結果：

t1線程開始執行…
t2線程開始執行…
喚醒lock鎖上等待的線程…
線程t2被喚醒…
線程t1被喚醒…

6. 為什麼 wait 和 notify 方法要在同步塊中調用？

在調用同步對象的wait()和notify()系列方法時，“當前線程”必須擁有該對象的同步鎖，也就是說，wait()和notify()系列方法需要在同步塊中使用，否則JVM會拋出類似如下的異常：

為什麼wait和notify不在synchronized同步塊的內部使用會拋出異常呢？這需要從wait()和notify()方法的原理說起。

wait()方法的原理：

首先，JVM會釋放當前線程的對象鎖監視器的Owner資格；其次，JVM會將當前線程移入監視器的WaitSet隊列，而這些操作都和對象鎖監視器是相關的。所以，wait()方法必須在synchronized同步塊的內部調用。在當前線程執行wait()方法前，必須通過synchronized()方法成為對象鎖的監視器的Owner。

notify()方法的原理：

JVM從對象鎖的監視器的WaitSet隊列移動一個線程到其EntryList隊列，這些操作都與對象鎖的監視器有關。所以，notify()方法也必須在synchronized同步塊的內部調用。在執行notify()方法前，當前線程也必須通過synchronized()方法成為對象鎖的監視器的Owner。

總結

本篇文章就到這裡瞭，希望能夠給你帶來幫助，也希望您能夠多多關註WalkonNet的更多內容!  

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