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Java并發編程（十三）線程間協作的兩種方式：wait、notify、notifyAll和Condition

　　在現實中，需要線程之間的協作。比如說最經典的生產者-消費者模型：當隊列滿時，生產者需要等待隊列有空間才能繼續往里面放入商品，而在等待的期間內，生產者必須釋放對臨界資源（即隊列）的占用權。因為生產者如果不釋放對臨界資源的占用權，那么消費者就無法消費隊列中的商品，就不會讓隊列有空間，那么生產者就會一直無限等待下去。因此，一般情況下，當隊列滿時，會讓生產者交出對臨界資源的占用權，并進入掛起狀態。然后等待消費者消費了商品，然后消費者通知生產者隊列有空間了。同樣地，當隊列空時，消費者也必須等待，等待生產者通知它隊列中有商品了。這種互相通信的過程就是線程間的協作。

一.wait()、notify()和notifyAll()

wait()、notify()和notifyAll()是Object類中的方法：

public final native void notify();
public final native void notifyAll();
public final native void wait(long timeout) throws InterruptedException;

從這三個方法的文字描述可以知道以下幾點信息：
1）wait()、notify()和notifyAll()方法是本地方法，并且為final方法，無法被重寫。
2）調用某個對象的wait()方法能讓當前線程阻塞，并且當前線程必須擁有此對象的monitor（即鎖）
3）調用某個對象的notify()方法能夠喚醒一個正在等待這個對象的monitor的線程，如果有多個線程都在等待這個對象的monitor，則只能喚醒其中一個線程；
4）調用notifyAll()方法能夠喚醒所有正在等待這個對象的monitor的線程；

有朋友可能會有疑問：為何這三個不是Thread類聲明中的方法，而是Object類中聲明的方法（當然由于Thread類繼承了Object類，所以Thread也可以調用者三個方法）？其實這個問題很簡單，由于每個對象都擁有monitor（即鎖），所以讓當前線程等待某個對象的鎖，當然應該通過這個對象來操作了。而不是用當前線程來操作，因為當前線程可能會等待多個線程的鎖，如果通過線程來操作，就非常復雜了。

上面已經提到，如果調用某個對象的wait()方法，當前線程必須擁有這個對象的monitor（即鎖），因此調用wait()方法必須在同步塊或者同步方法中進行（synchronized塊或者synchronized方法）。
調用某個對象的wait()方法，相當于讓當前線程交出此對象的monitor，然后進入等待狀態，等待后續再次獲得此對象的鎖（Thread類中的sleep方法使當前線程暫停執行一段時間，從而讓其他線程有機會繼續執行，但它并不釋放對象鎖）；
notify()方法能夠喚醒一個正在等待該對象的monitor的線程，當有多個線程都在等待該對象的monitor的話，則只能喚醒其中一個線程，具體喚醒哪個線程則不得而知。

同樣地，調用某個對象的notify()方法，當前線程也必須擁有這個對象的monitor，因此調用notify()方法必須在同步塊或者同步方法中進行（synchronized塊或者synchronized方法）。
nofityAll()方法能夠喚醒所有正在等待該對象的monitor的線程，這一點與notify()方法是不同的。
這里要注意一點：notify()和notifyAll()方法只是喚醒等待該對象的monitor的線程，并不決定哪個線程能夠獲取到monitor。
舉個簡單的例子：假如有三個線程Thread1、Thread2和Thread3都在等待對象objectA的monitor，此時Thread4擁有對象objectA的monitor，當在Thread4中調用objectA.notify()方法之后，Thread1、Thread2和Thread3只有一個能被喚醒。注意，被喚醒不等于立刻就獲取了objectA的monitor。假若在Thread4中調用objectA.notifyAll()方法，則Thread1、Thread2和Thread3三個線程都會被喚醒，至于哪個線程接下來能夠獲取到objectA的monitor就具體依賴于操作系統的調度了。

上面尤其要注意一點，一個線程被喚醒不代表立即獲取了對象的monitor，只有等調用完notify()或者notifyAll()并退出synchronized塊，釋放對象鎖后，其余線程才可獲得鎖執行。

下面看一個例子就明白了：

public class Test {
    public static Object object = new Object();
    public static void main(String[] args) {
        Thread1 thread1 = new Thread1();
        Thread2 thread2 = new Thread2();
         
        thread1.start();
         
        try {
            Thread.sleep(200);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
         
        thread2.start();
    }
     
    static class Thread1 extends Thread{
        @Override
        public void run() {
            synchronized (object) {
                try {
                    object.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                }
                System.out.println("線程"+Thread.currentThread().getName()+"獲取到了鎖");
            }
        }
    }
     
    static class Thread2 extends Thread{
        @Override
        public void run() {
            synchronized (object) {
                object.notify();
                System.out.println("線程"+Thread.currentThread().getName()+"調用了object.notify()");
            }
            System.out.println("線程"+Thread.currentThread().getName()+"釋放了鎖");
        }
    }
}

無論運行多少次，運行結果必定是：
線程Thread-1調用了object.notify()
線程Thread-1釋放了鎖
線程Thread-0獲取到了鎖

View Code

二.Condition

　　Condition是在java 1.5中才出現的，它用來替代傳統的Object的wait()、notify()實現線程間的協作，相比使用Object的wait()、notify()，使用Condition1的await()、signal()這種方式實現線程間協作更加安全和高效。因此通常來說比較推薦使用Condition，在阻塞隊列那一篇博文中就講述到了，阻塞隊列實際上是使用了Condition來模擬線程間協作。

Condition是個接口，基本的方法就是await()和signal()方法；
Condition依賴于Lock接口，生成一個Condition的基本代碼是lock.newCondition()
調用Condition的await()和signal()方法，都必須在lock保護之內，就是說必須在lock.lock()和lock.unlock之間才可以使用

Conditon中的await()對應Object的wait()；

Condition中的signal()對應Object的notify()；

Condition中的signalAll()對應Object的notifyAll()。

三.生產者-消費者模型的實現

1.使用Object的wait()和notify()實現：

public class Test {
    private int queueSize = 10;
    private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<Integer>(queueSize);
      
    public static void main(String[] args)  {
        Test test = new Test();
        Producer producer = test.new Producer();
        Consumer consumer = test.new Consumer();
          
        producer.start();
        consumer.start();
    }
      
    class Consumer extends Thread{
          
        @Override
        public void run() {
            consume();
        }
          
        private void consume() {
            while(true){
                synchronized (queue) {
                    while(queue.size() == 0){
                        try {
                            System.out.println("隊列空，等待數據");
                            queue.wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                            queue.notify();
                        }
                    }
                    queue.poll();          //每次移走隊首元素
                    queue.notify();
                    System.out.println("從隊列取走一個元素，隊列剩余"+queue.size()+"個元素");
                }
            }
        }
    }
      
    class Producer extends Thread{
          
        @Override
        public void run() {
            produce();
        }
          
        private void produce() {
            while(true){
                synchronized (queue) {
                    while(queue.size() == queueSize){
                        try {
                            System.out.println("隊列滿，等待有空余空間");
                            queue.wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                            queue.notify();
                        }
                    }
                    queue.offer(1);        //每次插入一個元素
                    queue.notify();
                    System.out.println("向隊列取中插入一個元素，隊列剩余空間："+(queueSize-queue.size()));
                }
            }
        }
    }
}

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2.使用Condition實現

public class Test {
    private int queueSize = 10;
    private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<Integer>(queueSize);
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition notFull = lock.newCondition();
    private Condition notEmpty = lock.newCondition();
     
    public static void main(String[] args)  {
        Test test = new Test();
        Producer producer = test.new Producer();
        Consumer consumer = test.new Consumer();
          
        producer.start();
        consumer.start();
    }
      
    class Consumer extends Thread{
          
        @Override
        public void run() {
            consume();
        }
          
        private void consume() {
            while(true){
                lock.lock();
                try {
                    while(queue.size() == 0){
                        try {
                            System.out.println("隊列空，等待數據");
                            notEmpty.await();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                    queue.poll();                //每次移走隊首元素
                    notFull.signal();
                    System.out.println("從隊列取走一個元素，隊列剩余"+queue.size()+"個元素");
                } finally{
                    lock.unlock();
                }
            }
        }
    }
      
    class Producer extends Thread{
          
        @Override
        public void run() {
            produce();
        }
          
        private void produce() {
            while(true){
                lock.lock();
                try {
                    while(queue.size() == queueSize){
                        try {
                            System.out.println("隊列滿，等待有空余空間");
                            notFull.await();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                    queue.offer(1);        //每次插入一個元素
                    notEmpty.signal();
                    System.out.println("向隊列取中插入一個元素，隊列剩余空間："+(queueSize-queue.size()));
                } finally{
                    lock.unlock();
                }
            }
        }
    }
}

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posted on 2016-12-23 00:49 安卓筆記俠閱讀(371) 評論(0) 收藏舉報

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