java多線程同步設計wait/notify機制

多線程之間需要協調工作。例如，瀏覽器的一個顯示圖片的線程displayThread想要執行顯示圖片的任務，必須等待下載線程downloadThread將該圖片下載完畢。如果圖片還沒有下載完，displayThread可以暫停，當downloadThread完成了任務後，再通知displayThread“圖片準備完畢，可以顯示了”，這時，displayThread繼續執行。

以上邏輯簡單的說就是：如果條件不滿足，則等待。當條件滿足時，等待該條件的線程將被喚醒。在Java中，這個機制的實現依賴於wait/notify。等待機制與鎖機制是密切關聯的。例如：

synchronized(obj) {
    while(!condition) {
        obj.wait();
    }
    obj.doSomething();
}

當線程A獲得了obj鎖後，發現條件condition不滿足，無法繼續下一處理，於是線程A就wait()。

在另一線程B中，如果B更改了某些條件，使得線程A的condition條件滿足了，就可以喚醒線程A：

synchronized(obj) {
condition = true;
obj.notify();
}

需要注意的概念是：

# 調用obj的wait(), notify()方法前，必須獲得obj鎖，也就是必須寫在synchronized(obj) {...} 代碼段內。

# 調用obj.wait()後，線程A就釋放了obj的鎖，否則線程B無法獲得obj鎖，也就無法在synchronized(obj) {...} 代碼段內喚醒A。

# 當obj.wait()方法返回後，線程A需要再次獲得obj鎖，才能繼續執行。

# 如果A1,A2,A3都在obj.wait()，則B調用obj.notify()只能喚醒A1,A2,A3中的一個（具體哪一個由JVM決定）。

# obj.notifyAll()則能全部喚醒A1,A2,A3，但是要繼續執行obj.wait()的下一條語句，必須獲得obj鎖，因此，A1,A2,A3只有一個有機會獲得鎖繼續執行，例如A1，其餘的需要等待A1釋放obj鎖之後才能繼續執行。

# 當B調用obj.notify/notifyAll的時候，B正持有obj鎖，因此，A1,A2,A3雖被喚醒，但是仍無法獲得obj鎖。直到B退出synchronized塊，釋放obj鎖後，A1,A2,A3中的一個纔有機會獲得鎖繼續執行。

synchronized的4種用法

1.方法聲明時使用,放在範圍操作符(public等)之後,返回類型聲明(void等)之前.即一次只能有一個線程進入該方法,其他線程要想在此時調用該方法,只能排隊等候,當前線程(就是在synchronized方法內部的線程)執行完該方法後,別的線程才能進入.

例如:

      public synchronized void synMethod() {
        //方法體
      }

2.對某一代碼塊使用,synchronized後跟括號,括號裏是變量,這樣,一次只有一個線程進入該代碼塊.例如:

      public int synMethod(int a1){
        synchronized(a1) {
          //一次只能有一個線程進入
        }
      }
    3.synchronized後面括號裏是一對象,此時,線程獲得的是對象鎖.例如:

public class MyThread implements Runnable {
public static void main(String args[]) {
    MyThread mt = new MyThread();
    Thread t1 = new Thread(mt, t1);
    Thread t2 = new Thread(mt, t2);
    Thread t3 = new Thread(mt, t3);
    Thread t4 = new Thread(mt, t4);
    Thread t5 = new Thread(mt, t5);
    Thread t6 = new Thread(mt, t6);
    t1.start();
    t2.start();
    t3.start();
    t4.start();
    t5.start();
    t6.start();
}

public void run() {
    synchronized (this) {
      System.out.println(Thread.currentThread().getName());
    }
}
}

對於3,如果線程進入,則得到對象鎖,那麼別的線程在該類所有對象上的任何操作都不能進行.在對象級使用鎖通常是一種比較粗糙的方法。爲什麼要將整個對象都上鎖，而不允許其他線程短暫地使用對象中其他同步方法來訪問共享資源？如果一個對象擁有多個資源，就不需要只爲了讓一個線程使用其中一部分資源，就將所有線程都鎖在外面。由於每個對象都有鎖，可以如下所示使用虛擬對象來上鎖：

class FineGrainLock {

MyMemberClass x, y;
Object xlock = new Object(), ylock = new Object();

   public void foo() {
      synchronized(xlock) {
         //access x here
      }

//do something here - but don't use shared resources

      synchronized(ylock) {
         //access y here
      }
   }

   public void bar() {
      synchronized(this) {
         //access both x and y here
      }
      //do something here - but don't use shared resources
   }
}

4.synchronized後面括號裏是類.例如:

class ArrayWithLockOrder{
private static long num_locks = 0;
private long lock_order;
private int[] arr;

public ArrayWithLockOrder(int[] a)
{
    arr = a;
    synchronized(ArrayWithLockOrder.class) {//-----------------------------------------這裏
      num_locks++;             // 鎖數加 1。
      lock_order = num_locks; // 爲此對象實例設置唯一的 lock_order。
    }
}
public long lockOrder()
{
    return lock_order;
}
public int[] array()
{
    return arr;
}
}

class SomeClass implements Runnable
{
public int sumArrays(ArrayWithLockOrder a1,
                       ArrayWithLockOrder a2)
{
    int value = 0;
    ArrayWithLockOrder first = a1;       // 保留數組引用的一個
    ArrayWithLockOrder last = a2;        // 本地副本。
    int size = a1.array().length;
    if (size == a2.array().length)
    {
      if (a1.lockOrder() > a2.lockOrder()) // 確定並設置對象的鎖定
      {                                     // 順序。
        first = a2;
        last = a1;
      }
      synchronized(first) {              // 按正確的順序鎖定對象。
        synchronized(last) {
          int[] arr1 = a1.array();
          int[] arr2 = a2.array();
          for (int i=0; i            value += arr1[i] + arr2[i];
        }
      }
    }
    return value;
}
public void run() {
    //...
}
}

對於4,如果線程進入,則線程在該類中所有操作不能進行,包括靜態變量和靜態方法,實際上,對於含有靜態方法和靜態變量的代碼塊的同步,我們通常用4來加鎖.

以上4種之間的關係：

鎖是和對象相關聯的，每個對象有一把鎖，爲了執行synchronized語句，線程必須能夠獲得synchronized語句中表達式指定的對象的鎖，一個對象只有一把鎖，被一個線程獲得之後它就不再擁有這把鎖，線程在執行完synchronized語句後，將獲得鎖交還給對象。
在方法前面加上synchronized修飾符即可以將一個方法聲明爲同步化方法。同步化方法在執行之前獲得一個鎖。如果這是一個類方法，那麼獲得的鎖是和聲明方法的類相關的Class類對象的鎖。如果這是一個實例方法，那麼此鎖是this對象的鎖。

下面談一談一些常用的方法:

wait(),wait(long),notify(),notifyAll()等方法是當前類的實例方法,

        wait()是使持有對象鎖的線程釋放鎖;
        wait(long)是使持有對象鎖的線程釋放鎖時間爲long(毫秒)後,再次獲得鎖,wait()和wait(0)等價;
        notify()是喚醒一個正在等待該對象鎖的線程,如果等待的線程不止一個,那麼被喚醒的線程由jvm確定;
        notifyAll是喚醒所有正在等待該對象鎖的線程.
        在這裏我也重申一下,我們應該優先使用notifyAll()方法,因爲喚醒所有線程比喚醒一個線程更容易讓jvm找到最適合被喚醒的線程.

對於上述方法,只有在當前線程中才能使用,否則報運行時錯誤java.lang.IllegalMonitorStateException: current thread not owner.

下面,我談一下synchronized和wait()、notify()等的關係:

1.有synchronized的地方不一定有wait,notify

2.有wait,notify的地方必有synchronized.這是因爲wait和notify不是屬於線程類，而是每一個對象都具有的方法，而且，這兩個方法都和對象鎖有關，有鎖的地方，必有synchronized。

另外，請注意一點：如果要把notify和wait方法放在一起用的話，必須先調用notify後調用wait，因爲如果調用完wait，該線程就已經不是current thread了。如下例：

/**
* Title:        Jdeveloper's Java Projdect
* Description: n/a
* Copyright:    Copyright (c) 2001
* Company:      soho http://www.ChinaJavaWorld.com
* @author [email protected]
* @version 1.0
*/
import java.lang.Runnable;
import java.lang.Thread;

public class DemoThread
implements Runnable {

public DemoThread() {
TestThread testthread1 = new TestThread(this, 1);
TestThread testthread2 = new TestThread(this, 2);

testthread2.start();
testthread1.start();

}

public static void main(String[] args) {
DemoThread demoThread1 = new DemoThread();

}

public void run() {

    TestThread t = (TestThread) Thread.currentThread();
    try {
      if (!t.getName().equalsIgnoreCase(1)) {
        synchronized (this) {
          wait();
        }
      }
      while (true) {

System.out.println(@time in thread + t.getName() + = +
t.increaseTime());

        if (t.getTime() % 10 == 0) {
          synchronized (this) {
            System.out.println(****************************************);
            notify();
            if (t.getTime() == 100)
              break;
            wait();
          }
        }
      }
    }
    catch (Exception e) {
      e.printStackTrace();
    }
}

}

class TestThread
extends Thread {
private int time = 0;
public TestThread(Runnable r, String name) {
super(r, name);
}

public int getTime() {
return time;
}

public int increaseTime() {
return++time;
}

}

下面我們用生產者/消費者這個例子來說明他們之間的關係:

    public class test {
public static void main(String args[]) {
    Semaphore s = new Semaphore(1);
    Thread t1 = new Thread(s, producer1);
    Thread t2 = new Thread(s, producer2);
    Thread t3 = new Thread(s, producer3);
    Thread t4 = new Thread(s, consumer1);
    Thread t5 = new Thread(s, consumer2);
    Thread t6 = new Thread(s, consumer3);
    t1.start();
    t2.start();
    t3.start();
    t4.start();
    t5.start();
    t6.start();
}
}

class Semaphore
implements Runnable {
private int count;
public Semaphore(int n) {
this.count = n;
}

public synchronized void acquire() {
    while (count == 0) {
      try {
        wait();
      }
      catch (InterruptedException e) {
        //keep trying
      }
    }
    count--;
}

public synchronized void release() {
    while (count == 10) {
      try {
        wait();
      }
      catch (InterruptedException e) {
        //keep trying
      }
    }
    count++;
    notifyAll(); //alert a thread that's blocking on this semaphore
}

public void run() {
    while (true) {
      if (Thread.currentThread().getName().substring(0,8).equalsIgnoreCase(consumer)) {
        acquire();
      }
      else if (Thread.currentThread().getName().substring(0,8).equalsIgnoreCase(producer)) {
        release();
      }
      System.out.println(Thread.currentThread().getName() + + count);
    }
}
}

生產者生產,消費者消費,一般沒有衝突,但當庫存爲0時,消費者要消費是不行的,但當庫存爲上限(這裏是10)時,生產者也不能生產.請好好研讀上面的程序,你一定會比以前進步很多.

上面的代碼說明了synchronized和wait,notify沒有絕對的關係,在synchronized聲明的方法、代碼塊中,你完全可以不用wait,notify等方法,但是,如果當線程對某一資源存在某種爭用的情況下,你必須適時得將線程放入等待或者喚醒.

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public class TaskMonitor extends Thread {
private CreateTask create = null;
public TaskMonitor(CreateTask create){
this.create = create;
}
//任務監控，每隔2妙，通知CreateTask創造1條任務放到隊列中
public void run() {
while(true){
try {
Thread.sleep(2000);
System.out.println("TaskMonitor");
synchronized (create) {
create.notify();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}