Java并發(fā)線程間的等待和通知

本篇內(nèi)容介紹了“Java并發(fā)線程間的等待和通知”的有關(guān)知識(shí)，在實(shí)際案例的操作過程中，不少人都會(huì)遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領(lǐng)大家學(xué)習(xí)一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細(xì)閱讀，能夠?qū)W有所成！

前言：

前面講完了一些并發(fā)編程的原理，現(xiàn)在我們要來學(xué)習(xí)的是線程之間的協(xié)作。通俗來說就是，當(dāng)前線程在某個(gè)條件下需要等待，不需要使用太多系統(tǒng)資源。在某個(gè)條件下我們需要去喚醒它，分配給它一定的系統(tǒng)資源，讓它繼續(xù)工作。這樣能更好的節(jié)約資源。

一、Object的wait()與notify()

基本概念：

一個(gè)線程因執(zhí)行目標(biāo)動(dòng)作的條件未能滿足而被要求暫停就是wait，而一個(gè)線程滿足執(zhí)行目標(biāo)動(dòng)作的條件之后喚醒被暫停的線程就是notify。

基本模板：

synchronized (obj){
      //保護(hù)條件不成立
      while(flag){
        //暫停當(dāng)前線程
        obj.wait();
      }
      //當(dāng)保護(hù)條件成立，即跳出while循環(huán)執(zhí)行目標(biāo)動(dòng)作
      doAction();
    }

解析wait()：Object.wait()的作用是使執(zhí)行線程被暫停，該執(zhí)行線程生命周期就變更為WAITING，這里注意一下，是無限等待，直到有notify()方法通知該線程喚醒。Object.wait(long timeout)的作用是使執(zhí)行線程超過一定時(shí)間沒有被喚醒就自動(dòng)喚醒，也就是超時(shí)等待。Object.wait(long timeout,int naous)是更加精準(zhǔn)的控制時(shí)間的方法，可以控制到毫微秒。這里需要注意的是wait()會(huì)在當(dāng)前線程擁有鎖的時(shí)候才能執(zhí)行該方法并且釋放當(dāng)前線程擁有的鎖，從而讓該線程進(jìn)入等待狀態(tài)，其他線程來嘗試獲取當(dāng)前鎖。也就是需要申請鎖與釋放鎖。

解析notify()：Object.notify()方法是喚醒調(diào)用了wait()的線程，只喚醒最多一個(gè)。如果有多個(gè)線程，不一定能喚醒我們所想要的線程。Object.notifyAll()喚醒所有等待的線程。notify方法一定是通知線程先獲取到了鎖才能進(jìn)行通知。通知之后當(dāng)前的通知線程需要釋放鎖，然后由等待線程來獲取。所以涉及到了一個(gè)申請鎖與釋放鎖的步驟。

wait()與notify()之間存在的三大問題：

從上面的解析可以看出，notify()是無指向性的喚醒，notifyAll()是無偏差喚醒。所以會(huì)產(chǎn)生下面三個(gè)問題

過早喚醒：假設(shè)當(dāng)前有三組等待（w1,w2,w3）與通知(n1,n2,n3)線程同步在對象obj上，w1,w2的判斷喚醒條件相同，由線程n1更新條件并喚醒，w3的判斷喚醒條件不同，由n2,n3更新條件并喚醒，這時(shí)如果n1執(zhí)行了喚醒，那么不能執(zhí)行notify，因?yàn)樾枰行褍蓷l線程，只能用notifyAll()，可是用了之后w3的條件未能滿足就被叫醒，就需要一直占用資源的去等待執(zhí)行。

信號丟失：這個(gè)問題主要是程序員編程出現(xiàn)了問題，并不是內(nèi)部實(shí)現(xiàn)機(jī)制出現(xiàn)的問題。編程時(shí)如果在該使用notifyAll()的地方使用notify()那么只能喚醒一個(gè)線程，從而使其他應(yīng)該喚醒的線程未能喚醒，這就是信號丟失。如果等待線程在執(zhí)行wait()方法前沒有先判斷保護(hù)條件是否成立，就會(huì)出現(xiàn)通知線程在該等待線程進(jìn)入臨界區(qū)之前就已經(jīng)更新了相關(guān)共享變量，并且執(zhí)行了notify()方法，但是由于wait()還未能執(zhí)行，且沒有設(shè)置共享變量的判斷，所以會(huì)執(zhí)行wait()方法，導(dǎo)致線程一直處于等待狀態(tài)，丟失了一個(gè)信號。

欺騙性喚醒：等待線程并不是一定有notify()/notifyAll()才能被喚醒，雖然出現(xiàn)的概率特別低，但是操作系統(tǒng)是允許這種情況發(fā)生的。

上下文切換問題：首先wait()至少會(huì)導(dǎo)致線程對相應(yīng)對象內(nèi)部鎖的申請與釋放。notify()/notifyAll()時(shí)需要持有相應(yīng)的對象內(nèi)部鎖并且也會(huì)釋放該鎖，會(huì)出現(xiàn)上下文切換問題其實(shí)就是從RUNNABLE狀態(tài)變?yōu)榉荝UNNABLE狀態(tài)會(huì)出現(xiàn)。

針對問題的解決方案：

信號丟失與欺騙性喚醒問題：都可以使用while循環(huán)來避免，也就是上面的模板中寫的那樣。

上下文切換問題：在保證程序正確性的情況下使用notify()代替notifyAll()，notify不會(huì)導(dǎo)致過早喚醒，所以減少了上下文的切換。并且使用了notify之后應(yīng)該盡快釋放相應(yīng)內(nèi)部鎖，從而讓wait()能夠更快的申請到鎖。

過早喚醒：使用java.util.concurrent.locks.Condition中的await與signal。

PS：由于Object中的wait與notify使用的是native方法，即C++編寫，這里不做源碼解析。

二、Condition中的await()與signal()

這個(gè)方法相應(yīng)的改變了上面所說的無指向性的問題，每個(gè)Condition內(nèi)部都會(huì)維護(hù)一個(gè)隊(duì)列，從而讓我們對線程之間的操作更加靈活。下面通過分析源碼讓我們了解一下內(nèi)部機(jī)制。Condition是個(gè)接口，真正的實(shí)現(xiàn)是AbstractQueuedSynchronizer中的內(nèi)部類ConditionObject。

基本屬性：

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1173984872572414699L;
    /** First node of condition queue. */
    private transient Node firstWaiter;
    /** Last node of condition queue. */
    private transient Node lastWaiter;
}

從基本屬性中可看出維護(hù)的是雙端隊(duì)列。

await()方法解析：

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
　　public final void await() throws InterruptedException {
　　 // 1. 判斷線程是否中斷
  if(Thread.interrupted()){            
    throw new InterruptedException();
  }
 　　// 2. 將線程封裝成一個(gè) Node 放到 Condition Queue 里面
  Node node = addConditionWaiter();
　　 // 3. 釋放當(dāng)前線程所獲取的所有的鎖 (PS: 調(diào)用 await 方法時(shí), 當(dāng)前線程是必須已經(jīng)獲取了獨(dú)占的鎖)       
  int savedState = fullyRelease(node);      
  int interruptMode = 0;
 　　// 4. 判斷當(dāng)前線程是否在 Sync Queue 里面(這里 Node 從 Condtion Queue 里面轉(zhuǎn)移到 Sync Queue 里面有兩種可能 　　 //(1) 其他線程調(diào)用 signal 進(jìn)行轉(zhuǎn)移 (2) 當(dāng)前線程被中斷而進(jìn)行Node的轉(zhuǎn)移(就在checkInterruptWhileWaiting里面進(jìn)行轉(zhuǎn)移))
  while(!isOnSyncQueue(node)){
　　　　　// 5. 當(dāng)前線程沒在 Sync Queue 里面, 則進(jìn)行 block         
    LockSupport.park(this);
　　　　　// 6. 判斷此次線程的喚醒是否因?yàn)榫€程被中斷, 若是被中斷, 則會(huì)在checkInterruptWhileWaiting的transferAfterCancelledWait 進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)移;     if((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0){  
　　　　 // 說明此是通過線程中斷的方式進(jìn)行喚醒, 并且已經(jīng)進(jìn)行了 node 的轉(zhuǎn)移, 轉(zhuǎn)移到 Sync Queue 里面
      break;                           
    }
  }
　　 // 7. 調(diào)用 acquireQueued在 Sync Queue 里面進(jìn)行獨(dú)占鎖的獲取, 返回值表明在獲取的過程中有沒有被中斷過
  if(acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE){ 
    interruptMode = REINTERRUPT;
  }
　　 // 8. 通過 "node.nextWaiter != null" 判斷 線程的喚醒是中斷還是 signal。　　 //因?yàn)橥ㄟ^中斷喚醒的話, 此刻代表線程的 Node 在 Condition Queue 與 Sync Queue 里面都會(huì)存在
  if(node.nextWaiter != null){ 
 　　　　// 9. 進(jìn)行 cancelled 節(jié)點(diǎn)的清除
    unlinkCancelledWaiters();                 
  }
　　 // 10. "interruptMode != 0" 代表通過中斷的方式喚醒線程
  if(interruptMode != 0){  
　　　　　// 11. 根據(jù) interruptMode 的類型決定是拋出異常, 還是自己再中斷一下                 
    reportInterruptAfterWait(interruptMode);        
  }
　　}
}

上面源代碼可看出Condition內(nèi)部維護(hù)的隊(duì)列是一個(gè)等待隊(duì)列，當(dāng)需要調(diào)用signal()方法時(shí)就會(huì)讓當(dāng)前線程節(jié)點(diǎn)從Condition queue轉(zhuǎn)到Sync queue隊(duì)列中去競爭鎖從而喚醒。

signal()源碼解析：

public class ConditionObject implements Condition, java.io.Serializable {
  public final void signal() {
      if (!isHeldExclusively())
        throw new IllegalMonitorStateException();
      Node first = firstWaiter;
      if (first != null)
        doSignal(first);
    }
  private void doSignal(Node first) {
      do {
        //傳入的鏈表下一個(gè)節(jié)點(diǎn)為空，則尾節(jié)點(diǎn)置空
        if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
          lastWaiter = null;
        //當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)為空
        first.nextWaiter = null;
        //如果成功將node從condition queue轉(zhuǎn)換到sync queue，則退出循環(huán)，節(jié)點(diǎn)為空了也退出循環(huán)。否則就接著在隊(duì)列中找尋節(jié)點(diǎn)進(jìn)行喚醒
      } while (!transferForSignal(first) &&
           (first = firstWaiter) != null);
    }
}

signal()會(huì)使等待隊(duì)列中的一個(gè)任意線程被喚醒，signalAll()則是喚醒該隊(duì)列中的所有線程。這樣通過不同隊(duì)列維護(hù)不同線程，就可以達(dá)到指向性的功能?？梢韵蛇^早喚醒帶來的資源損耗。注意的是在使用signal()方法前需要獲取鎖，即lock()，而后需要盡快unlock()，這樣可以避免上下文切換的損耗。

總結(jié)：

面向?qū)ο蟮氖澜缰?，一個(gè)類往往需要借助其他的類來一起完成計(jì)算，同樣線程的世界也是，多個(gè)線程可以同時(shí)完成一個(gè)任務(wù)，通過喚醒與等待，能更好的操作線程，從而讓線程在需要使用資源的時(shí)候分配資源給它，而不使用資源的時(shí)候就可以將資源讓給其他線程操作。關(guān)于Condition中提到的Sync queue可參考Java并發(fā) 結(jié)合源碼分析AQS原理來看內(nèi)部維護(hù)的隊(duì)列是如何獲取鎖的。

“Java并發(fā)線程間的等待和通知”的內(nèi)容就介紹到這里了，感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業(yè)相關(guān)的知識(shí)可以關(guān)注億速云網(wǎng)站，小編將為大家輸出更多高質(zhì)量的實(shí)用文章！