线程间通信之等待通知机制

等待/通知机制

前面部分介绍了Java语言中多线程的使用，以及方法及变量在同步情况下的处理方式，本节将介绍多个线程之间进行通信，通过本节的学习可以了解到，线程与线程之间不是独立的个体，他们彼此之间可以互相通信和协作

不使用等待/通知机制实现线程间通信

创建项目，在试验中使用sleep()结合while(true)死循环法来实现多个线程间通信

代码为

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
class MyList{
    private List list = new ArrayList();
    public void add(){
        list.add("秦加兴");
    }
    public int size(){
        return list.size();
    }
}
//定义线程类ThreadA以及ThreadB
class ThreadA extends Thread{
    private MyList list;

    public ThreadA(MyList list) {
        super();
        this.list = list;
    }
    @Override
    public void run() {
        try {
            for(int i=0;i<10;i++){
                list.add();
                System.out.println("添加了 "+(i+1)+" 个元素");
                Thread.sleep(500);
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

class ThreadB extends Thread{
    private MyList list;

    public ThreadB(MyList list) {
        super();
        this.list = list;
    }
    @Override
    public void run() {
        try {
            System.out.println("-------"+list.size());
            while(true){
                if(list.size()==5){
                    System.out.println("==5了，线程b要退出了！");
                    throw new InterruptedException();
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }   
    }
}
public class Test1 {
    public static void main(String[] args) {
        MyList service = new MyList();
        ThreadA a = new ThreadA(service);
        a.setName("A");
        a.start();
        ThreadB b = new ThreadB(service);
        b.setName("B");
        b.start();
    }
}

程序云运行后出现!](http://upload-images.jianshu.io/upload_images/12188537-aec0ea58f7df4bd0.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)

解释：虽然两个线程间实现了通信，但有一个弊端就是，线程ThreadB.java不停的通过while语句轮询机制来检测某一个条件会很浪费CPU资源

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如图所示：
就餐时出现等待通知

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

  1. 厨师做完一道菜的时间不确定，所以厨师将菜品放在"菜品传递台"上的时间也不确定。
  2. 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。
  3. 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（notify），这是服务员才可以拿到菜并交给就餐者。
  4. 在这个过程中出现了“等待/通知”机制。

需要说明一下，前面章节中多个线程之间也可以实现通信，原因就是多个线程共同访问同一个变量，但那种通信机制不是“等待/通知”,两个线程完全是主动式地读取一个共享变量，在花费读取时间的基础上，读到的值是不是想要的，并不能完全确定。所以现在迫切想要一种“等待/通知”机制来满足上面的需求。

等待/通知机制的实现

方法wait()的作用

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，知道街道通知或被中断为止。在调用wait()之前，线程必须获得该对象级别锁，即只能在同步方法或同步代码块中调用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 语句进行捕获异常。

方法notify作用

也要在同步方法或同步块中调用，即在调用前，线程也必须获得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。需要说明的是，在执行notify()方法后，当前线程不会马上释放该对象锁， 呈wait状态的线程并不能马上获取该对象锁，要等待执行notify()方法的线程将程序执行完，也就是推出synchronized代码后，当前线程才会释放锁，而成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线程运行完毕之后，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，则即便该对象已经空闲，其他wait状态等待的线程由于咩有得到该对象的通知，还会继续阻塞在wait状态，知道这个对象发出一个notify或notifyAll。

  • 用一句话总结一下wait和notify

wait使线程停止运行，而notify使停止的线程继续运行。

wait()和notify()的简单使用

package three;
/**
 *输出： 
开始   wait time=1493298291380
开始 notify time=1493298294382
结束 notify time=1493298294383
结束   wait  time=1493298294384
 * @author jiaxing
 *
 */
//定义两个定义线程
class MyThread1 extends Thread{
    private Object lock;

    public MyThread1(Object lock) {
        super();
        this.lock = lock;
    }
    @Override
    public void run() {
        super.run();
        //在线程块内执行wait()方法
        try {
            synchronized (lock) {
                System.out.println("开始   wait time="+System.currentTimeMillis());
                lock.wait();
                System.out.println("结束   wait  time="+System.currentTimeMillis());
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
class MyThread2 extends Thread{
    private Object lock;

    public MyThread2(Object lock) {
        super();
        this.lock = lock;
    }
    @Override
    public void run() {
        super.run();
        //在线程块内执行notify()方法
        synchronized (lock) {
            System.out.println("开始 notify time="+System.currentTimeMillis());
            lock.notify();
            System.out.println("结束 notify time="+System.currentTimeMillis());
        }
    }
}
public class Test2 {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            Object lock = new Object();
            //启动两个线程
            MyThread1 t1 = new MyThread1(lock);
            t1.start();
            Thread.sleep(3000);
            MyThread2 t2 = new MyThread2(lock);
            t2.start();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

从控制台中可以看出3秒后线程被notify通知唤醒

如何使用wait()和notify()来实现前面size()等于5呢

  • 看下面例子：
package three;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/***
 * 输出：
wait begin 1493298319090
添加了1个元素
添加了2个元素
添加了3个元素
添加了4个元素
已发出通知！
添加了5个元素
添加了6个元素
添加了7个元素
添加了8个元素
添加了9个元素
添加了10个元素
wait end 1493298329143
 *解释：日志信息中wait end 在最后输出，这也说明notify()方法执行后并不立刻释放锁。这个知识点在后面进行补充介绍。
 * @author jiaxing
 *
 */
class MyList3{
    private static List list = new ArrayList(); 
    public static void add(){
        list.add("anything");
    }
    public static int size(){
        return list.size();
    }
}
class ThreadA3 extends Thread{
    private Object lock;
    
    public ThreadA3(Object lock) {
        super();
        this.lock = lock;
    }

    @Override
    public void run() {
        super.run();
        try {
            synchronized(lock){
                if(MyList3.size()!=5){
                    System.out.println("wait begin "+System.currentTimeMillis());
                    lock.wait();
                    System.out.println("wait end "+System.currentTimeMillis());
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
class ThreadB3 extends Thread{
    private Object lock;

    public ThreadB3(Object lock) {
        super();
        this.lock = lock;
    }
    @Override
    public void run() {
        super.run();
        try {
            synchronized (lock) {
                for(int i=0;i<10;i++){
                    MyList3.add();
                    if(MyList3.size()==5){
                        lock.notify();
                        System.out.println("已发出通知！");
                    }
                    System.out.println("添加了"+(i+1)+"个元素");
                    Thread.sleep(1000);
                }
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
public class Test3 {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            Object lock = new Object();
            ThreadA3 a = new ThreadA3(lock);
            a.start();
            Thread.sleep(50);
            ThreadB3 b = new ThreadB3(lock);
            b.start();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

  • 关键字synchronized 可以将任何一个Obejct 对象作为同步对象看待，而java为每个Object 都实现了wait() 和notify() 方法，他们必须在被synchronized 同步的Obejct 的临界区内。通过调用wait() 方法可以使处于临界内的线程进入等待状态，同时释放被同步对象的锁。而notify操作可以唤醒一个因调用了wait 操作而处于阻塞状态中的线程，使其进入就绪状态。被重新唤醒的线程会视图重新获得临界区的控制权，也就是锁，并继续执行临界区内wait 之后的代码。如果发出notify 操作时没有处于阻塞状态中的线程，那么该命令会被忽略。

  • wait() 方法可以调用该方法的线程释放共享资源的锁，然后从运行状态推出，进入等待队列，知道被再次唤醒。

  • notify() 方法可以随机唤醒等待队列中等待同一共享资源的“一个”线程，并使该线程退出等待队列，进入可运行状态，也就是notify() 方法仅通知“一个”线程。

  • notifyAll() 方法可以使所有正在等待队列中等待同一共享资源的“全部”线程从等待状态退出，进入可运行状态。此时，优先级最高的那个线程最先执行，但也有可能是随机执行，因为这要取决于JVM虚拟机的实现。

前面的章节中已经介绍了与Thread有关的大部分API，这些API可以改变线程对象的状态，如图3-7所示
线程状态切换示意图

  1. 新创建一个新的线程对象后，再调用它的start() 方法，系统会为此线程分配CPU 资
    源，使其处于Runnable(可运行) 状态，这是一个准备运行的阶段。如果线程抢占到CPU 资
    源，此线程就处于Running(运行) 状态。

  2. Runnable 状态和Running 状态可相互切换，因为有可能线程运行一段时间后，有其
    他高优先级的线程抢占了CPU 资源，这时此线程就从Running 状态变成Runnable 状态。

线程进入Runnable状态大致分为如下5中情况：

  • 调用sleep() 方法后经过的时间超过了指定的休眠时间。
  • 线程调用的阻塞IO 已经返回，阻塞方法执行完毕。
  • 线程成功地获得了试图同步的监视器。
  • 线程正在等待某个通知，其他线程发出了通知。
  • 处于挂起状态的线程调用了resume 恢复方法。
  1. Blocked 是阻塞的意思，例如遇到了一个IO 操作，此时CPU 处于空闲状态，可能会
    转而把CPU 时间片分配给其他线程，这时也可以称为"暂停"状态。Blocked 状态结束后‘
    进入Runnable 状态， 等待系统重新分配资掘。

出现阻塞的情况大体分为如下5种：

  • 线程调用sleep 方法， 主动放弃占用的处理器资源。
  • 线程调用了阻塞式IO 方法，在该方法返回前，该线程被阻塞。
  • 线程试图获得一个同步监视器，但该同步监视器正被其他线程所持有。
  • 线程等待某个通知。
  • 程序调用了suspend 方法将该线程挂起。此方法容易导致死锁，尽量避免使用该方法。
  1. run() 方法运行结束后进入销毁阶段， 整个线程执行完毕。

每个对象都有两个队列，一个是就绪队列，一个是阻塞队列。就绪队列存储了将要获得锁的线程，阻塞队列存储了被阻塞的线程。一个线程被唤醒后，才会进入就绪队列，等待CPU的调度；反之，一个线程被wait后，就会进入阻塞队列，等待下一次被唤醒。

方法wait()锁释放与notify()锁不释放

当方法wait()被释放后，锁被自动释放，但执行完notify()方法，锁却不自动释放。

  • 看下面的例子展示：
package three;
/***
 * 输出结果：
begin wait()
begin wait()
 * @author jiaxing
 *
 */
class Service{
    public void testMethod(Object lock){
        try {
            synchronized (lock) {
                System.out.println("begin wait()");
                //Thread.sleep(4000); 同步效果
                lock.wait();
                System.out.println("   end wait()");
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
class ThreadA4 extends Thread{
    private Object lock;

    public ThreadA4(Object lock) {
        super();
        this.lock = lock;
    }
    @Override
    public void run() {
        super.run();
        //实例化对象
        Service service = new Service();
        service.testMethod(lock);
    }
}
class ThreadB4 extends Thread{
    private Object lock;

    public ThreadB4(Object lock) {
        super();
        this.lock = lock;
    }
    @Override
    public void run() {
        super.run();
        Service service = new Service();
        service.testMethod(lock);
    }
}
public class Test4 {
    public static void main(String[] args) {
        Object lock = new Object();
        //传入一个对象
        ThreadA4 a = new ThreadA4(lock);
        a.start();
        ThreadB4 b= new ThreadB4(lock);
        b.start();
    }
}

还有一个实验：方法notify()被执行后，不释放锁 ，下面看代码展示：

package three;
/***
 * 输出
begin wait() ThreadName=Thread-0
begin notify() ThreadName=Thread-2
  end notify() ThreadName=Thread-2
begin notify() ThreadName=Thread-1
  end notify() ThreadName=Thread-1
  end wait() ThreadName=Thread-0
解释：
结果显示：必须执行完notify()方法所在的同步synchronized代码块后才释放锁
 * @author jiaxing
 *
 */
class Service5{
    //多个通知一个等待
    public void testMethod(Object lock){
        //等待方法
        try {
            synchronized (lock) {
                System.out.println("begin wait() ThreadName="+Thread.currentThread().getName());
                lock.wait();
                System.out.println("  end wait() ThreadName="+Thread.currentThread().getName());
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    //通知notify方法
    public void synNotifyMethod(Object lock){
        try {
            synchronized (lock) {
                System.out.println("begin notify() ThreadName="+Thread.currentThread().getName());
                lock.notify();
                Thread.sleep(5000);
                System.out.println("  end notify() ThreadName="+Thread.currentThread().getName());
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
//自定义Thread方法
class ThreadA5 extends Thread{
    private Object lock;

    public ThreadA5(Object lock) {
        super();
        this.lock = lock;
    }
    @Override
    public void run() {
        super.run();
        Service5 service = new Service5();
        service.testMethod(lock);
    }
}
//自定义Thread方法调用notify方法
class NotifyThread extends Thread{
    private Object lock;

    public NotifyThread(Object lock) {
        super();
        this.lock = lock;
    }
    @Override
    public void run() {
        super.run();
        //实例化后调用notify方法
        Service5 service = new Service5();
        service.synNotifyMethod(lock);
    }
}
//自定义SynNotifyThread方法调用notify方法
class SynNotifyThread extends Thread{
    private Object lock;

    public SynNotifyThread(Object lock) {
        super();
        this.lock = lock;
    }
    @Override
    public void run() {
        super.run();
        //实例化后调用notify方法
        Service5 service = new Service5();
        service.synNotifyMethod(lock);
    }
}
//测试类
public class Test5 {
    public static void main(String[] args) {
        Object lock = new Object();
        //线程a启动  wait方法
        ThreadA5 a = new ThreadA5(lock);
        a.start();
        //线程b启动 notify方法
        NotifyThread b = new NotifyThread(lock);
        b.start();
        //线程c启动 notify方法
        SynNotifyThread c = new SynNotifyThread(lock);
        c.start();
    }
}

当interrupt方法遇到wait方法

  • 当线程呈wait() 状态时，调用线程对象的interrupt() 方法会出现InterruptedException 异常**。
  • 创建项目后，测试部分代码如下：则当程序运行后，停止wait状态下的线程出现异常
public void main (String[] args){
    try {
        Obejct lock = new Object();
        ThreadA a = new ThreadA(lock);
        a.start();
        Thread.sleep(5000);
        a.interrupted();
    } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

通过上面的几个实验可以总结如下3点：

  1. 执行完同步代码块就会释放对象的锁。
  2. 在执行同步代码块的过程中，遇到异常而导致线程终止，锁也会被释放。
  3. 在执行同步代码块的过程中，执行了锁所属对象的wait() 方法，这个线程会释放对象锁，而此线程对象会进入线程等待池中，等待被唤醒。

只通知一个线程

  • 调用notify() 一次只随机 通知一个线程；
  • 当多次调用notify()方法时，会随机将等待wait 状态的线程进行唤醒。

唤醒所有线程-->notifyAll()方法

  • 只需将之前的代码中的notify()方法改写成notifyAll()即可。

方法wait(long)的使用

  • 带一个参数的wait(long)方法的功能是等待某一时间内是否有线程对锁进行唤醒，如果超过这个时间则自动唤醒。举例略。

通知过早

  • 如果通知过早，则会打乱程序正常的运行逻辑。也即：notify()如果在wait()之前执行时，则会打乱正常的运行逻辑。-->可能会导致wait()不能被执行。
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