Java線程通信中wait-notify通信的方式是什么

這篇文章主要介紹“Java線程通信中wait-notify通信的方式是什么”的相關(guān)知識，小編通過實(shí)際案例向大家展示操作過程，操作方法簡單快捷，實(shí)用性強(qiáng)，希望這篇“Java線程通信中wait-notify通信的方式是什么”文章能幫助大家解決問題。

1. 線程通信的定義

線程是操作系統(tǒng)調(diào)度的最小單位，有自己的?？臻g，可以按照既定的代碼逐步執(zhí)行，但是如果每個線程間都孤立地運(yùn)行，就會造資源浪費(fèi)。所以在現(xiàn)實(shí)中，如果需要多個線程按照指定的規(guī)則共同完成一個任務(wù)，那么這些線程之間就需要互相協(xié)調(diào)，這個過程被稱為線程的通信。

線程的通信可以被定義為：當(dāng)多個線程共同操作共享的資源時，線程間通過某種方式互相告知自己的狀態(tài)，以避免無效的資源爭奪。

線程間通信的方式可以有很多種：等待-通知、共享內(nèi)存、管道流。“等待-通知”通信方式是Java中使用普遍的線程間通信方式，其經(jīng)典的案例是“生產(chǎn)者-消費(fèi)者”模式。

2. 為什么需要wait-notify?

場景：有幾個小孩都想進(jìn)入房間內(nèi)使用算盤（CPU）進(jìn)行計算，老王(操作系統(tǒng))就使用了一把鎖（synchronized）讓同一時間只有一個小孩能進(jìn)入房間使用算盤，于是他們排隊進(jìn)入房間。

(1) 小南最先獲取到了鎖，進(jìn)入到房間內(nèi)，但是由于條件不滿足（沒煙干不了活），小南不能繼續(xù)進(jìn)行計算 ，但小南如果一直占用著鎖，其它人就得一直阻塞，效率太低。

(2) 于是老王單開了一間休息室（調(diào)用 wait 方法），讓小南到休息室（WaitSet）等著去了，這時鎖釋放開， 其它人可以由老王隨機(jī)安排進(jìn)屋

(3) 直到小M將煙送來，大叫一聲 [ 你的煙到了 ] （調(diào)用 notify 方法）

(4) 小南于是可以離開休息室，重新進(jìn)入競爭鎖的隊列

java語言中“等待-通知”方式的線程間通信使用對象的wait()、notify()兩類方法來實(shí)現(xiàn)。每個java對象都有wait()、notify()兩類實(shí)例方法，并且wait()、notify()方法和對象的監(jiān)視器是緊密相關(guān)的。

wait()、notify()兩類方法在數(shù)量上不止兩個。wait()、notify()兩類方法不屬于Thread類，而是屬于java對象實(shí)例。

3. wait方法和notify方法

java對象中的wait()、notify()兩類方法就如同信號開關(guān)，用于等待方和通知方之間的交互。

1、對象的wait()方法

對象的wait()方法的主要作用是讓當(dāng)前線程阻塞并等待被喚醒。wait()方法與對象監(jiān)視器緊密相關(guān)，使用wait()方法時一定要放在同步塊中。wait()方法的調(diào)用方法如下：

public class Main {
    static final Object lock = new Object();
    public static void method1() throws InterruptedException {
        synchronized( lock ) {
            lock.wait();
        }
    }
}

Object類中的wait()方法有三個版本：

(1) void wait()：當(dāng)前線程調(diào)用了同步對象lock的wait()實(shí)例方法后，將導(dǎo)致當(dāng)前的線程等待，當(dāng)前線程進(jìn)入lock的監(jiān)視器WaitSet，等待被其他線程喚醒；

(2) void wait(long timeout)：限時等待。導(dǎo)致當(dāng)前的線程等待，等待被其他線程喚醒，或者指定的時間timeout用完，線程不再等待；

(3) void wait(long timeout,int nanos)：高精度限時等待，其主要作用是更精確地控制等待時間。參數(shù)nanos是一個附加的納秒級別的等待時間；

2、對象的notify()方法

對象的notify()方法的主要作用是喚醒在等待的線程。notify()方法與對象監(jiān)視器緊密相關(guān)，調(diào)用notify()方法時也需要放在同步塊中。notify()方法的調(diào)用方法如下：

public class Main {
    static final Object lock = new Object();
    public static void method1() throws InterruptedException {
        synchronized( lock ) {
            lock.notify();
        }
    }
}

notify()方法有兩個版本：

(1)void notify()：lock.notify()調(diào)用后，喚醒lock監(jiān)視器等待集中的第一條等待線程；被喚醒的線程進(jìn)入EntryList，其狀態(tài)從WAITING變成BLOCKED。

(2) void notifyAll()：lock.notifyAll()被調(diào)用后，喚醒lock監(jiān)視器等待集中的全部等待線程，所有被喚醒的線程進(jìn)入EntryList，線程狀態(tài)從WAITING變成BLOCKED。

小結(jié)：

obj.wait()：讓進(jìn)入Object監(jiān)視器的線程到waitset等待

obj.notify()：在Object上正在waitset等待的線程中挑一個喚醒

obj.notifyAll()：讓在Object上正在waitset等待的線程全部喚醒

4. wait方法和notify方法的原理

對象的wait()方法的核心原理大致如下：

(1) 當(dāng)線程調(diào)用了lock（某個同步鎖對象）的wait()方法后，jvm會將當(dāng)前線程加入lock監(jiān)視器的WaitSet（等待集），等待被其他線程喚醒。

(2) 當(dāng)前線程會釋放lock對象監(jiān)視器的Owner權(quán)利，讓其他線程可以搶奪lock對象的監(jiān)視器。

(3) 讓當(dāng)前線程等待，其狀態(tài)變成WAITING。在線程調(diào)用了同步對象lock的wait()方法之后，同步對象lock的監(jiān)視器內(nèi)部狀態(tài)大致如圖2-15所示。

對象的notify()或者notifyAll()方法的原理大致如下：

(1) 當(dāng)線程調(diào)用了lock（某個同步鎖對象）的notify()方法后，jvm會喚醒lock監(jiān)視器WaitSet中的第一條等待線程。

(2) 當(dāng)線程調(diào)用了lock的notifyAll()方法后，jvm會喚醒lock監(jiān)視器WaitSet中的所有等待線程。

(3) 等待線程被喚醒后，會從監(jiān)視器的WaitSet移動到EntryList，線程具備了排隊搶奪監(jiān)視器Owner權(quán)利的資格，其狀態(tài)從WAITING變成BLOCKED。

(4) EntryList中的線程搶奪到監(jiān)視器的Owner權(quán)利之后，線程的狀態(tài)從BLOCKED變成Runnable，具備重新執(zhí)行的資格。

(1) Owner 線程發(fā)現(xiàn)條件不滿足，調(diào)用wait 方法，即可進(jìn)入WaitSet，變?yōu)?WAITING 狀態(tài) ；

(2) BLOCKED 和WAITING 的線程都處于阻塞狀態(tài)，不占用CPU時間片 ；

(3) BLOCKED：線程會在Owner 線程釋放鎖時喚醒 ；

(4) WAITING ：線程會在Owner 線程調(diào)用notify 或 notifyAll時喚醒，但喚醒后并不意味者立刻獲得鎖，仍需進(jìn)入 EntryList 重新競爭；

5. wait方法和notify方法示例

1、進(jìn)入Object監(jiān)視器的線程才能調(diào)用wait()方法

小南并不能直接進(jìn)入WaitSet休息室，而是獲取鎖進(jìn)入房間后才能進(jìn)入休息室，沒有鎖的話小南沒法進(jìn)入房間，更沒法進(jìn)入休息室。他進(jìn)入休息室后就會釋放鎖，讓其他線程競爭鎖進(jìn)入房間。

public class Main {
    static final Object lock = new Object();
    public static void main(String[] args) {
        synchronized (lock){
            try {
                // 只有成為了monitor對象的owner,即獲得了對象鎖之后，才有資格進(jìn)入waitset等待
                lock.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

2、進(jìn)入Object監(jiān)視器的線程才能調(diào)用notify()方法

小M此時獲取到了鎖，進(jìn)入了房間，并喚醒了在休息室中等待的小王，小M如果獲取到鎖進(jìn)行房間時沒有辦法喚醒在休息室等待的小王的，因?yàn)榇藭r小M在門外，小王根本聽不到。

使用notify()喚醒等待區(qū)的一個線程：

public class Main {
    static final Object lock = new Object();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(()->{
            System.out.println("t1線程開始執(zhí)行...");
            synchronized (lock){
                try {
                    // 讓t1線程在lock鎖的waitset中等待
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                // 被喚醒后，繼續(xù)執(zhí)行
                System.out.println("線程t1被喚醒...");
            }
        },"t1");
        t1.start();
        Thread t2 = new Thread(()->{
            System.out.println("t2線程開始執(zhí)行...");
            synchronized (lock){
                try {
                    // 讓t2線程在lock鎖的waitset中等待
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            // 被喚醒后，繼續(xù)執(zhí)行
            System.out.println("線程t2被喚醒...");
        },"t2");
        t2.start();
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println("喚醒lock鎖上等待的線程...");
        synchronized (lock){
            // 主線程拿到鎖后，喚醒正在休息室中等待的某一個線程
            lock.notify();
        }
    }
}

執(zhí)行結(jié)果：

t1線程開始執(zhí)行...
t2線程開始執(zhí)行...
喚醒lock鎖上等待的線程...
線程t1被喚醒...

使用notifyAll()喚醒等待區(qū)所有的線程：

public class Main {
    static final Object lock = new Object();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(()->{
            System.out.println("t1線程開始執(zhí)行...");
            synchronized (lock){
                try {
                    // 讓t1線程在lock鎖的waitset中等待
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                // 被喚醒后，繼續(xù)執(zhí)行
                System.out.println("線程t1被喚醒...");
            }
        },"t1");

        t1.start();
        Thread t2 = new Thread(()->{
            System.out.println("t2線程開始執(zhí)行...");
            synchronized (lock){
                try {
                    // 讓t2線程在lock鎖的waitset中等待
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            // 被喚醒后，繼續(xù)執(zhí)行
            System.out.println("線程t2被喚醒...");
        },"t2");
        t2.start();

        Thread.sleep(2000);

        System.out.println("喚醒lock鎖上等待的線程...");
        synchronized (lock){
            // 主線程拿到鎖后，喚醒正在休息室中等待的所有線程
            lock.notifyAll();
        }
    }
}

執(zhí)行結(jié)果：

t1線程開始執(zhí)行...
t2線程開始執(zhí)行...
喚醒lock鎖上等待的線程...
線程t2被喚醒...
線程t1被喚醒...

6. 為什么 wait 和 notify 方法要在同步塊中調(diào)用？

在調(diào)用同步對象的wait()和notify()系列方法時，“當(dāng)前線程”必須擁有該對象的同步鎖，也就是說，wait()和notify()系列方法需要在同步塊中使用，否則JVM會拋出類似如下的異常：

為什么wait和notify不在synchronized同步塊的內(nèi)部使用會拋出異常呢？這需要從wait()和notify()方法的原理說起。

wait()方法的原理：

首先，JVM會釋放當(dāng)前線程的對象鎖監(jiān)視器的Owner資格；其次，JVM會將當(dāng)前線程移入監(jiān)視器的WaitSet隊列，而這些操作都和對象鎖監(jiān)視器是相關(guān)的。所以，wait()方法必須在synchronized同步塊的內(nèi)部調(diào)用。在當(dāng)前線程執(zhí)行wait()方法前，必須通過synchronized()方法成為對象鎖的監(jiān)視器的Owner。

notify()方法的原理：

JVM從對象鎖的監(jiān)視器的WaitSet隊列移動一個線程到其EntryList隊列，這些操作都與對象鎖的監(jiān)視器有關(guān)。所以，notify()方法也必須在synchronized同步塊的內(nèi)部調(diào)用。在執(zhí)行notify()方法前，當(dāng)前線程也必須通過synchronized()方法成為對象鎖的監(jiān)視器的Owner。

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