多線程系列(六) -等待和通知模型詳解

一、簡介

在之前的線程系列文章中，我們介紹了synchronized和volatile關鍵字，使用它能解決線程同步的問題，但是它們無法解決線程之間協調和通信的問題。

舉個簡單的例子，比如線程 A 負責將 int 型變量 i 值累加操作到 10000，然後通知線程 B 負責把結果打印出來。

這個怎麼實現呢？其中一個最簡單的辦法就是，線程 B 不斷的通過輪詢方式while(i == 10000)檢查是否滿足條件，這樣就可以實現了。

雖然這種方式可以實現需求，但是也帶來了另一個問題：線程 B 中的while()操作不會釋放 CPU 資源，會導致 CPU 一直在這個方法上做判斷操作，極大的浪費 CPU 資源。

我們知道 CPU 資源是非常非常昂貴的，因爲使用 CPU 資源不只是當前一個應用程序，還有其它許許多多的應用程序。如果把這些輪詢的時間釋放出來，給別的線程使用，更能顯著提升應用程序的運行效率。比如，線程 A 操作完成之後，通知線程 B 進行後續的操作，線程 B 無需通過輪詢檢查的方式來完成線程之間的協調，這樣是不是更好。

在 Java 的父類中，也就是Object類中，就有三個方法：wait()、notify()、notifyAll()，它們就可以實現線程之間的通信。

如果沒有接觸多線程，這些方法可能基本上使用不到。下面我們一起來看看它們的使用方式！

二、方法介紹

wait()

wait()方法，顧名思義，表示等待的意思，它的作用是：使執行當前代碼的線程進入阻塞狀態，將當前線程置入"預執行隊列"中，並且wait()所在的代碼處停止執行，直到接到通知或被中斷。

不過有個前提，在調用wait()方法之前，線程必須獲得該對象的鎖，因此只能在synchronized修飾的同步方法/同步代碼塊中調用wait()方法；同時，wait()方法執行後，會立即釋放獲得的對象鎖以便其它線程使用，當前線程被阻塞，進入等待狀態。

至於wait()爲什麼有阻塞的效果，其內部機制非常複雜，主要由 JVM 的 C 代碼實現，大家瞭解就行。

notify()

notify()方法，顧名思義，表示通知的意思，它的作用是：讓處於同一監視器下的等待線程被重新喚醒，如果有多個線程等待，那麼隨機挑選出一個等待的線程，對其發出通知notify()，並使它等待獲取該對象的對象鎖。

注意“等待獲取該對象的對象鎖”，這意味着即使收到了通知，等待的線程也不會馬上獲取對象鎖，必須等待notify()方法的線程釋放鎖纔可以。

調用環境和wait()一樣，notify()也要在synchronized修飾的同步方法/同步代碼塊中調用。

notifyAll()

notifyAll()方法，顧名思義，也是表示通知的意思，它的作用是：讓所有處於同一監視器下的等待線程被重新喚醒，notify()方法只會隨機的喚醒一個線程，而使用notifyAll()方法將一次性全部喚醒。

通常來說，notifyAll()方法更安全，因爲當我們的代碼邏輯考慮不周的時候，使用notify()會導致只喚醒了一個線程，而其他線程可能永遠等待下去醒不過來了。

調用環境和notify()一樣，notifyAll()也要在synchronized修飾的同步方法/同步代碼塊中調用。

三個方法總結下來就是：

1.wait()方法，使線程阻塞，進入等待狀態
2.notify()方法，喚醒處於等待的線程，如果有多個線程就隨機從中取一個
3.notifyAll()方法，喚醒所有處於等待的線程

2.1、wait/notify/notifyAll 使用介紹

通常wait()方法，一般與notify()或者notifyAll()搭配使用比較多。

下面我們看一個簡單的示例。

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()) + " 當前線程：" + Thread.currentThread().getName() + " wait begin");
            try {
                // 進入阻塞等待
                lock.wait();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 當前線程：" + 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()) + " 當前線程：" + Thread.currentThread().getName() + " notify begin");
            // 喚醒其它等待線程
            lock.notify();
            System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 當前線程：" + 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();

        //過3秒再啓動下一個線程
        Thread.sleep(3000);

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

運行服務，輸出結果如下：

2023-09-28 16:42:19 當前線程：Thread-0 wait begin
2023-09-28 16:42:22 當前線程：Thread-1 notify begin
2023-09-28 16:42:22 當前線程：Thread-1 notify end
2023-09-28 16:42:22 當前線程：Thread-0 wait end

從日誌上可以得出，threadA線程先啓動，然後進入阻塞狀態，過了 3 秒之後，再啓動threadB線程，運行結束之後，通知threadA線程可以獲取對象鎖，最後執行完畢。

整個線程之間的協調和通信，大體就是這樣的。

假如我們把threadA線程數量增加到 5 個，再來看看運行效果。

public class MyThreadTest {

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

        //過3秒再啓動下一個線程
        Thread.sleep(3000);

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

運行服務，輸出結果如下：

2023-09-28 17:02:05 當前線程：Thread-0 wait begin
2023-09-28 17:02:05 當前線程：Thread-4 wait begin
2023-09-28 17:02:05 當前線程：Thread-3 wait begin
2023-09-28 17:02:05 當前線程：Thread-2 wait begin
2023-09-28 17:02:05 當前線程：Thread-1 wait begin
2023-09-28 17:02:08 當前線程：Thread-5 notify begin
2023-09-28 17:02:08 當前線程：Thread-5 notify end
2023-09-28 17:02:08 當前線程：Thread-0 wait end

從日誌中，可以很清晰的看到，當多個線程處於等待狀態時，調用notify()方法，只會喚醒其中一個等待的線程；同時服務無法關閉，因爲剩下的 4 個線程一直處於阻塞狀態。

假如我們把MyThreadB類中的lock.notify()方法改成lock.notifyAll()方法，再看看效果怎樣。

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()) + " 當前線程：" + Thread.currentThread().getName() + " notify begin");
            // 喚醒所有等待的線程
            lock.notifyAll();
            System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 當前線程：" + Thread.currentThread().getName() + " notify end");
        }
    }
}

運行服務，輸出結果如下：

2023-09-28 17:18:13 當前線程：Thread-0 wait begin
2023-09-28 17:18:13 當前線程：Thread-4 wait begin
2023-09-28 17:18:13 當前線程：Thread-3 wait begin
2023-09-28 17:18:13 當前線程：Thread-2 wait begin
2023-09-28 17:18:13 當前線程：Thread-1 wait begin
2023-09-28 17:18:16 當前線程：Thread-5 notify begin
2023-09-28 17:18:16 當前線程：Thread-5 notify end
2023-09-28 17:18:16 當前線程：Thread-1 wait end
2023-09-28 17:18:16 當前線程：Thread-2 wait end
2023-09-28 17:18:16 當前線程：Thread-3 wait end
2023-09-28 17:18:16 當前線程：Thread-4 wait end
2023-09-28 17:18:16 當前線程：Thread-0 wait end

從日誌上可以很清晰的看到，3 秒後所有處於等待的線程都被喚醒，並且服務運行結束。

2.2、wait 釋放鎖介紹

在多線程的編程中，任何時候都要關注鎖，因爲它對當前代碼執行是否安全，發揮了重要的作用。

在上面我們提到，調用wait()方法，除了讓線程進入阻塞，進入等待狀態以外，還會釋放鎖。

我們可以看一個簡單的示例就知道了。

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()) + " 當前線程：" + Thread.currentThread().getName() + " wait begin");
            try {
                // 進入阻塞等待
                lock.wait();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 當前線程：" + Thread.currentThread().getName() + " wait end");
        }
    }
}

public class MyThreadTest1 {

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

        // 創建兩個調用wait的線程
        MyThreadA1 threadA1 = new MyThreadA1(lock);
        threadA1.start();

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

運行服務，輸出結果如下：

2023-09-28 17:31:56 當前線程：Thread-0 wait begin
2023-09-28 17:31:56 當前線程：Thread-1 wait begin

從日誌結果可以清晰的看出，兩個線程中其中一個調用lock.wait()之後，進入了阻塞狀態，同時把對象鎖也釋放掉了，另一個線程拿到鎖並進入同步代碼塊內，所以看到兩個線程都打印了wait begin。

在Thread類中也有一個sleep()方法可以讓當前線程阻塞，但是它們之間是有區別的，sleep()方法不會讓當前線程釋放鎖。

我們可以看一個簡單的例子。

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()) + " 當前線程：" + Thread.currentThread().getName() + " sleep begin");
            try {
                // 進入阻塞等待
                Thread.sleep(100);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 當前線程：" + Thread.currentThread().getName() + " sleep end");
        }
    }
}

public class MyThreadTest1 {

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

        // 創建兩個調用sleep的線程
        MyThreadA1 threadA1 = new MyThreadA1(lock);
        threadA1.start();

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

運行服務，輸出結果如下：

2023-09-28 17:55:20 當前線程：Thread-0 sleep begin
2023-09-28 17:55:21 當前線程：Thread-0 sleep end
2023-09-28 17:55:21 當前線程：Thread-1 sleep begin
2023-09-28 17:55:21 當前線程：Thread-1 sleep end

從日誌上看，線程沒有交替執行，而是串性執行。

2.3、notify/notifyAll 不釋放鎖介紹

於此對應的還有notify()和notifyAll()，調用notify()或者notifyAll()方法當前線程是不會釋放鎖的，只有當同步方法／同步代碼塊執行完畢，纔會釋放鎖。

同樣的，我們可以看一個簡單的示例。

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()) + " 當前線程：" + Thread.currentThread().getName() + " notify begin");
            // 喚醒其它等待線程
            lock.notify();
            System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 當前線程：" + Thread.currentThread().getName() + " notify end");
        }
    }
}

public class MyThreadTest2 {

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

        // 創建兩個調用notify()的線程
        MyThreadA2 threadA1 = new MyThreadA2(lock);
        threadA1.start();

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

運行服務，輸出結果如下：

2023-09-28 18:11:36 當前線程：Thread-0 notify begin
2023-09-28 18:11:36 當前線程：Thread-0 notify end
2023-09-28 18:11:36 當前線程：Thread-1 notify begin
2023-09-28 18:11:36 當前線程：Thread-1 notify end

從日誌結果可以清晰的看出，兩個線程沒有交替執行，而是串行執行。

2.4、IllegalMonitorStateException 異常介紹

雖然wait()、notify()、notifyAll()方法是在 Object 類中，理論上每個類都可以直接調用，但不是每個地方都可以隨便調用，如果調用這三個方法，不在同步方法/同步代碼塊中，程序運行時會直接拋一次拋異常java.lang.IllegalMonitorStateException。

下面我們看一個簡單的示例就知道了。

public class MyThreadTest3 {

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

運行程序，直接拋異常。

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)

換成notify()、notifyAll()，運行結果也是一樣。

三、小結

本文主要圍繞線程之間的協調和通信相關技術進行一些知識總結，使用Object類中的wait()、notify()、notifyAll()方法，可以實現線程之間的協調和通信，但是它們只有在synchronized修飾的同步方法/同步代碼塊纔會生效。如果不在同步方法/同步代碼塊調用，會拋java.lang.IllegalMonitorStateException異常。

文章內容難免有所遺漏，歡迎網友留言指出！

四、參考

1、廖雪峯 - wait和notify介紹

2、五月的倉頡 - wait()和notify()/notifyAll()介紹

五、寫到最後

最近無意間獲得一份阿里大佬寫的刷題筆記，一下子打通了我的任督二脈，進大廠原來沒那麼難。

鏈接地址：技術資料筆記

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多線程系列(六) -等待和通知模型詳解

一、簡介

二、方法介紹

2.1、wait/notify/notifyAll 使用介紹

2.2、wait 釋放鎖介紹

2.3、notify/notifyAll 不釋放鎖介紹

2.4、IllegalMonitorStateException 異常介紹

三、小結

四、參考

五、寫到最後

【面試準備】又一次失敗的面試經歷，題目離譜～資深軟件測試工程師

多線程系列(二十一) -ForkJoin使用詳解

多線程系列(二十) -CompletableFuture使用詳解

多線程系列(十九) -Future使用詳解

多線程系列(十七) -線程組介紹

多線程系列(十八) -AQS原理淺析

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