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如何在 Java 中正确使用 wait, notify 和 notifyAll

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wait, notify 和 notifyAll,这些在多线程中被经常用到的保留关键字,在实际开发的时候很多时候却并没有被大家重视。本文对这些关键字的使用进行了描述。

在 Java 中可以用 wait、notify 和 notifyAll 来实现线程间的通信。。举个例子,如果你的Java程序中有两个线程——即生产者和消费者,那么生产者可以通知消费者,让消费者开始消耗数据,因为队列缓冲区中有内容待消费(不为空)。相应的,消费者可以通知生产者可以开始生成更多的数据,因为当它消耗掉某些数据后缓冲区不再为满。

我们可以利用wait()来让一个线程在某些条件下暂停运行。例如,在生产者消费者模型中,生产者线程在缓冲区为满的时候,消费者在缓冲区为空的时候,都应该暂停运行。如果某些线程在等待某些条件触发,那当那些条件为真时,你可以用 notify 和 notifyAll 来通知那些等待中的线程重新开始运行。不同之处在于,notify 仅仅通知一个线程,并且我们不知道哪个线程会收到通知,然而 notifyAll 会通知所有等待中的线程。换言之,如果只有一个线程在等待一个信号灯,notify和notifyAll都会通知到这个线程。但如果多个线程在等待这个信号灯,那么notify只会通知到其中一个,而其它线程并不会收到任何通知,而notifyAll会唤醒所有等待中的线程。

在这篇文章中你将会学到如何使用 wait、notify 和 notifyAll 来实现线程间的通信,从而解决生产者消费者问题。如果你想要更深入地学习Java中的多线程同步问题,我强烈推荐阅读Brian Goetz所著的《Java Concurrency in Practice | Java 并发实践》,不读这本书你的 Java 多线程征程就不完整哦!这是我最向Java开发者推荐的书之一。

如何使用Wait

尽管关于wait和notify的概念很基础,它们也都是Object类的函数,但用它们来写代码却并不简单。如果你在面试中让应聘者来手写代码,用wait和notify解决生产者消费者问题,我几乎可以肯定他们中的大多数都会无所适从或者犯下一些错误,例如在错误的地方使用 synchronized 关键词,没有对正确的对象使用wait,或者没有遵循规范的代码方法。说实话,这个问题对于不常使用它们的程序员来说确实令人感觉比较头疼。

第一个问题就是,我们怎么在代码里使用wait()呢?因为wait()并不是Thread类下的函数,我们并不能使用Thread.call()。事实上很多Java程序员都喜欢这么写,因为它们习惯了使用Thread.sleep(),所以他们会试图使用wait() 来达成相同的目的,但很快他们就会发现这并不能顺利解决问题。正确的方法是对在多线程间共享的那个Object来使用wait。在生产者消费者问题中,这个共享的Object就是那个缓冲区队列。

第二个问题是,既然我们应该在synchronized的函数或是对象里调用wait,那哪个对象应该被synchronized呢?答案是,那个你希望上锁的对象就应该被synchronized,即那个在多个线程间被共享的对象。在生产者消费者问题中,应该被synchronized的就是那个缓冲区队列。(我觉得这里是英文原文有问题……本来那个句末就不应该是问号不然不太通……)

图片描述

永远在循环(loop)里调用 wait 和 notify,不是在 If 语句

现在你知道wait应该永远在被synchronized的背景下和那个被多线程共享的对象上调用,下一个一定要记住的问题就是,你应该永远在while循环,而不是if语句中调用wait。因为线程是在某些条件下等待的——在我们的例子里,即“如果缓冲区队列是满的话,那么生产者线程应该等待”,你可能直觉就会写一个if语句。但if语句存在一些微妙的小问题,导致即使条件没被满足,你的线程你也有可能被错误地唤醒。所以如果你不在线程被唤醒后再次使用while循环检查唤醒条件是否被满足,你的程序就有可能会出错——例如在缓冲区为满的时候生产者继续生成数据,或者缓冲区为空的时候消费者开始小号数据。所以记住,永远在while循环而不是if语句中使用wait!我会推荐阅读《Effective Java》,这是关于如何正确使用wait和notify的最好的参考资料。

基于以上认知,下面这个是使用wait和notify函数的规范代码模板:

// The standard idiom for calling the wait method in Java 
synchronized (sharedObject) { 
    while (condition) { 
    sharedObject.wait(); 
        // (Releases lock, and reacquires on wakeup) 
    } 
    // do action based upon condition e.g. take or put into queue 
}

就像我之前说的一样,在while循环里使用wait的目的,是在线程被唤醒的前后都持续检查条件是否被满足。如果条件并未改变,wait被调用之前notify的唤醒通知就来了,那么这个线程并不能保证被唤醒,有可能会导致死锁问题。

Java wait(), notify(), notifyAll() 范例

下面我们提供一个使用wait和notify的范例程序。在这个程序里,我们使用了上文所述的一些代码规范。我们有两个线程,分别名为PRODUCER(生产者)和CONSUMER(消费者),他们分别继承了了Producer和Consumer类,而Producer和Consumer都继承了Thread类。Producer和Consumer想要实现的代码逻辑都在run()函数内。Main线程开始了生产者和消费者线程,并声明了一个LinkedList作为缓冲区队列(在Java中,LinkedList实现了队列的接口)。生产者在无限循环中持续往LinkedList里插入随机整数直到LinkedList满。我们在while(queue.size == maxSize)循环语句中检查这个条件。请注意到我们在做这个检查条件之前已经在队列对象上使用了synchronized关键词,因而其它线程不能在我们检查条件时改变这个队列。如果队列满了,那么PRODUCER线程会在CONSUMER线程消耗掉队列里的任意一个整数,并用notify来通知PRODUCER线程之前持续等待。在我们的例子中,wait和notify都是使用在同一个共享对象上的。

import java.util.LinkedList; 
import java.util.Queue; 
import java.util.Random; 
/** 
* Simple Java program to demonstrate How to use wait, notify and notifyAll() 
* method in Java by solving producer consumer problem.
* 
* @author Javin Paul 
*/ 
public class ProducerConsumerInJava { 
    public static void main(String args[]) { 
        System.out.println("How to use wait and notify method in Java"); 
        System.out.println("Solving Producer Consumper Problem"); 
        Queue<Integer> buffer = new LinkedList<>(); 
        int maxSize = 10; 
        Thread producer = new Producer(buffer, maxSize, "PRODUCER"); 
        Thread consumer = new Consumer(buffer, maxSize, "CONSUMER"); 
        producer.start(); consumer.start(); } 
    } 
    /** 
    * Producer Thread will keep producing values for Consumer 
    * to consumer. It will use wait() method when Queue is full 
    * and use notify() method to send notification to Consumer 
    * Thread. 
    * 
    * @author WINDOWS 8 
    * 
    */ 
    class Producer extends Thread 
    { private Queue<Integer> queue; 
        private int maxSize; 
        public Producer(Queue<Integer> queue, int maxSize, String name){ 
            super(name); this.queue = queue; this.maxSize = maxSize; 
        } 
        @Override public void run() 
        { 
            while (true) 
                { 
                    synchronized (queue) { 
                        while (queue.size() == maxSize) { 
                            try { 
                                System.out .println("Queue is full, " + "Producer thread waiting for " + "consumer to take something from queue"); 
                                queue.wait(); 
                            } catch (Exception ex) { 
                                ex.printStackTrace(); } 
                            } 
                            Random random = new Random(); 
                            int i = random.nextInt(); 
                            System.out.println("Producing value : " + i); queue.add(i); queue.notifyAll(); 
                        } 
                    } 
                } 
            } 
    /** 
    * Consumer Thread will consumer values form shared queue. 
    * It will also use wait() method to wait if queue is 
    * empty. It will also use notify method to send 
    * notification to producer thread after consuming values 
    * from queue. 
    * 
    * @author WINDOWS 8 
    * 
    */ 
    class Consumer extends Thread { 
        private Queue<Integer> queue; 
        private int maxSize; 
        public Consumer(Queue<Integer> queue, int maxSize, String name){ 
            super(name); 
            this.queue = queue; 
            this.maxSize = maxSize; 
        } 
        @Override public void run() { 
            while (true) { 
                synchronized (queue) { 
                    while (queue.isEmpty()) { 
                        System.out.println("Queue is empty," + "Consumer thread is waiting" + " for producer thread to put something in queue"); 
                        try { 
                            queue.wait(); 
                        } catch (Exception ex) { 
                            ex.printStackTrace(); 
                        } 
                    } 
                    System.out.println("Consuming value : " + queue.remove()); queue.notifyAll(); 
                } 
            } 
        } 
    }

图片描述

为了更好地理解这个程序,我建议你在debug模式里跑这个程序。一旦你在debug模式下启动程序,它会停止在PRODUCER或者CONSUMER线程上,取决于哪个线程占据了CPU。因为两个线程都有wait()的条件,它们一定会停止,然后你就可以跑这个程序然后看发生什么了(很有可能它就会输出我们以上展示的内容)。你也可以使用Eclipse里的Step into和Step over按钮来更好地理解多线程间发生的事情。

本文重点:

  1. 你可以使用wait和notify函数来实现线程间通信。你可以用它们来实现多线程(>3)之间的通信。

  2. 永远在synchronized的函数或对象里使用wait、notify和notifyAll,不然Java虚拟机会生成 IllegalMonitorStateException。

  3. 永远在while循环里而不是if语句下使用wait。这样,循环会在线程睡眠前后都检查wait的条件,并在条件实际上并未改变的情况下处理唤醒通知。

  4. 永远在多线程间共享的对象(在生产者消费者模型里即缓冲区队列)上使用wait。

  5. 基于前文提及的理由,更倾向用 notifyAll(),而不是 notify()。

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