前言
2018 元旦快乐。
摘要：
- notify wait 如何使用？
- 为什么必须在同步块中？
- 使用 notify wait 实现一个简单的生产者消费者模型
- 底层实现原理
1. notify wait 如何使用？
今天我们要学习或者说分析的是 Object 类中的 wait notify 这两个方法，其实说是两个方法，这两个方法包括他们的重载方法一共有5个，而Object 类中一共才 12 个方法，可见这2个方法的重要性。我们先看看 JDK 中的代码：
public final native void notify();
public final native void notifyAll();
public final void wait() throws InterruptedException {
wait(0);
}
public final native void wait(long timeout) throws InterruptedException;
public final void wait(long timeout, int nanos) throws InterruptedException {
if (timeout < 0) {
throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
}
if (nanos < 0 || nanos > 999999) {
throw new IllegalArgumentException(
"nanosecond timeout value out of range");
}
if (nanos > 0) {
timeout++;
}
wait(timeout);
}
就是这五个方法。其中有3个方法是 native 的，也就是由虚拟机本地的c代码执行的。有2个 wait 重载方法最终还是调用了 wait（long） 方法。
首先还是 know how。来一个最简单的例子，看看如何使用这两个方法。
package cn.think.in.java.two;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
public class WaitNotify {
final static Object lock = new Object();
public static void main(String[] args) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("线程 A 等待拿锁");
synchronized (lock) {
try {
System.out.println("线程 A 拿到锁了");
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
System.out.println("线程 A 开始等待并放弃锁");
lock.wait();
System.out.println("被通知可以继续执行 则 继续运行至结束");
} catch (InterruptedException e) {
}
}
}
}, "线程 A").start();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("线程 B 等待锁");
synchronized (lock) {
System.out.println("线程 B 拿到锁了");
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
} catch (InterruptedException e) {
}
lock.notify();
System.out.println("线程 B 随机通知 Lock 对象的某个线程");
}
}
}, "线程 B").start();
}
}
运行结果：
线程 A 等待拿锁
线程 B 等待锁
线程 A 拿到锁了
线程 A 开始等待并放弃锁
线程 B 拿到锁了
线程 B 随机通知 Lock 对象的某个线程
被通知可以继续执行 则 继续运行至结束
在上面的代码中，线程 A 和 B 都会抢这个 lock 对象的锁，A 的运气比较好（也可能使 B 拿到锁），他先拿到了锁，然后调用了 wait 方法，放弃了锁，并挂起了自己，这个时候等待锁的 B 就拿到了锁，然后通知了A，但是请注意，通知完毕之后，B 线程并没有执行完同步代码块中的代码，因此，A 还是拿不到锁的，因此无法运行，等到B线程执行完毕，出了同步块，这个时候 A 线程才被激活得以继续执行。
使用 wait 方法和 notify 方法可以使 2 个无关的线程进行通信。也就是面试题中常提到的线程之间如何通信。
如果没有 wait 方法和 noitfy 方法，我们如何让两个线程通信呢？简单的办法就是让某个线程循环去检查某个标记变量，比如：
while （value != flag） {
Thread.sleep(1000);
}
doSomeing();
上面的这段代码在条件不满足使就睡眠一段时间，这样做到目的是防止过快的”无效尝试“，这种方式看似能够实现所需的功能，但是却存在如下问题：
- 难以确保及时性。因为等待的1000时间会导致时间差。
- 难以降低开销，如果确保了及时性，休眠时间缩短，将大大消耗CPU。
但是有了Java 自带的 wait 方法 和 notify 方法，一切迎刃而解。官方说法是等待/通知机制。一个线程在等待，另一个线程可以通知这个线程，实现了线程之间的通信。
2. 为什么必须在同步块中？
注意，这两个方法的使用必须是在 synchroized 同步块中，并且在当前对象的同步块中，如果在 A 对象的方法中调用 B 对象的 wait 或者 notify 方法，虚拟机会抛出 IllegalMonitorStateException，非法的监视器异常，因为你这个线程持有的监视器和你调用的监视器的不是一个对象。
那么为什么这两个方法一定要在同步块中呢？
这里要说一个专业名词：竞态条件。什么是竞太条件呢？
当两个线程竞争同一资源时，如果对资源的访问顺序敏感，就称存在竞态条件。
竞态条件会导致程序在并发情况下出现一些bugs。多线程对一些资源的竞争的时候就会产生竞态条件，如果首先要执行的程序竞争失败排到后面执行了，那么整个程序就会出现一些不确定的bugs。这种bugs很难发现而且会重复出现，这是因为线程间会随机竞争。
假设有2个线程，分别是生产者和消费者，他们有各自的任务。
1.1生产者检查条件（如缓存满了）-> 1.2生产者必须等待
2.1消费者消费了一个单位的缓存 -> 2.2重新设置了条件（如缓存没满） -> 2.3调用notifyAll()唤醒生产者
我们希望的顺序是： 1.1->1.2->2.1->2.2->2.3
但是由于CPU执行是随机的，可能会导致 2.3 先执行，1.2 后执行，这样就会导致生产者永远也醒不过来了！
所以我们必须对流程进行管理，也就是同步，通过在同步块中并结合 wait 和 notify 方法，我们可以手动对线程的执行顺序进行调整。
3. 使用 notify wait 实现一个简单的生产者消费者模型
虽然很多书中都不建议我们直接使用 notify 和 wait 方法进行并发编程，但仍然需要我们重点掌握。楼主写了一个简单的生产者消费者例子：
简单的缓存类：
public class Queue {
final int num;
final List<String> list;
boolean isFull = false;
boolean isEmpty = true;
public Queue(int num) {
this.num = num;
this.list = new ArrayList<>();
}
public synchronized void put(String value) {
try {
if (isFull) {
System.out.println("putThread 暂停了，让出了锁");
this.wait();
System.out.println("putThread 被唤醒了，拿到了锁");
}
list.add(value);
System.out.println("putThread 放入了" + value);
if (list.size() >= num) {
isFull = true;
}
if (isEmpty) {
isEmpty = false;
System.out.println("putThread 通知 getThread");
this.notify();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public synchronized String get(int index) {
try {
if (isEmpty) {
System.err.println("getThread 暂停了，并让出了锁");
this.wait();
System.err.println("getThread 被唤醒了，拿到了锁");
}
String value = list.get(index);
System.err.println("getThread 获取到了" + value);
list.remove(index);
Random random = new Random();
int randomInt = random.nextInt(5);
if (randomInt == 1) {
System.err.println("随机数等于1， 清空集合");
list.clear();
}
if (getSize() < num) {
if (getSize() == 0) {
isEmpty = true;
}
if (isFull) {
isFull = false;
System.err.println("getThread 通知 putThread 可以添加了");
Thread.sleep(10);
this.notify();
}
}
return value;
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
public int getSize() {
return list.size();
}
生产者线程：
class PutThread implements Runnable {
Queue queue;
public PutThread(Queue queue) {
this.queue = queue;
}
@Override
public void run() {
int i = 0;
for (; ; ) {
i++;
queue.put(i + "号");
}
}
}
消费者线程：
class GetThread implements Runnable {
Queue queue;
public GetThread(Queue queue) {
this.queue = queue;
}
@Override
public void run() {
for (; ; ) {
for (int i = 0; i < queue.getSize(); i++) {
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
String value = queue.get(i);
}
}
}
}
大家有兴趣可以跑跑看，能够加深这两个方法的理解，实际上，JDK 内部的阻塞队列也是类似这种实现，但是，不是用的 synchronized ，而是使用的重入锁。
基本上经典的生产者消费者模式的有着如下规则：
等待方遵循如下规则：
- 获取对象的锁。
- 如果条件不满足，那么调用对象的 wait 方法，被通知后仍要检查条件。
- 条件满足则执行相应的逻辑。
对应的伪代码入下：
synchroize( 对象 ){
while(条件不满足){
对象.wait();
}
对应的处理逻辑......
}
通知方遵循如下规则：
- 获得对象的锁。
- 改变条件。
- 通知所有等待在对象上的线程。
对应的伪代码如下：
synchronized（对象）{
改变条件
对象.notifyAll();
}
4. 底层实现原理
知道了如何使用，就得知道他的原理到底是什么？
首先我们看，使用这两个方法的顺序一般是什么？
- 使用 wait ，notify 和 notifyAll 时需要先对调用对象加锁。
- 调用 wait 方法后，线程状态有 Running 变为 Waiting，并将当前线程放置到对象的 等待队列。
- notify 或者 notifyAll 方法调用后， 等待线程依旧不会从 wait 返回，需要调用 noitfy 的线程释放锁之后，等待线程才有机会从 wait 返回。
- notify 方法将等待队列的一个等待线程从等待队列种移到同步队列中，而 notifyAll 方法则是将等待队列种所有的线程全部移到同步队列，被移动的线程状态由 Waiting 变为 Blocked。
- 从 wait 方法返回的前提是获得了调用对象的锁。
从上述细节可以看到，等待/通知机制依托于同步机制，其目的就是确保等待线程从 wait 方法返回后能够感知到通知线程对变量做出的修改。
该图描述了上面的步骤：
WaitThread 获得了对象的锁，调用对象的 wait 方法，放弃了锁，进入的等待队列，然后 NotifyThread 拿到了对象的锁，然后调用对象的 notify 方法，将 WatiThread 移动到同步队列中，最后，NotifyThread 执行完毕，释放锁， WaitThread 再次获得锁并从 wait 方法返回继续执行。
到这里，关于应用层面的 wait 和 notify 基本就差不多了，后面的是关于虚拟机层面的抛砖引玉，涉及到 Java 的内置锁实现，synchronized 关键字底层实现，JVM 源码。算是本文的扩展吧。
注意：我们看到图中出现了 Monitor 这个词，也就是监视器，实际上，在 JDK 的注释中，也有 The current thread must own this object's monitor 这句话，当前线程必须拥有该对象的监视器。
如果我们编译这段含有 synchronized 关键字的代码，就会发现有一段代码被 monitorenter 指令和 monitorexit 指令括住了，这就是 synchronized 在编译期间做的事情，那么，在字节码被执行的时侯，该指令对应的 c 代码将会被执行。这里，我们必须打住，这里已经开始涉及到 synchronized 的相关原理了，本篇文章不会讨论这个。
wait noitfy 的答案都在 Java HotSpot 虚拟机的 C 代码中。但 R 大告诉我们不要轻易阅读虚拟机源码，众多细节可能会掩盖抽象，导致学习效率不高。如果同学们有兴趣，有大神写了3篇文章专门从 HotSpot 中解析源码，地址：
Java的wait()、notify()学习三部曲之一：JVM源码分析，
Java的wait()、notify()学习三部曲之二：修改JVM源码看参数，
Java的wait()、notify()学习三部曲之三：修改JVM源码控制抢锁顺序，
还有狼哥的 JVM源码分析之Object.wait/notify实现.
上面四篇文章都从 JVM 的源码层面解析了 wait ，notify 的实现原理，非常清楚。
拾遗
- wait(long) 方法，该方法参数是毫秒，也就是说，如果线程等待了指定的毫秒数，就会自动返回该线程。
- wait（long, int）方法，该方法增加了纳秒级别的设置，算法是，前面的毫秒加上后面的纳秒，注意，是直接加一毫秒。
- notify 方法调用后，如果等待的线程很多，JDK 源码中说将会随机找一个，但是 JVM 的源码中实际上是找第一个。
- notifyAll 和 notify 不会立即生效，必须等到调用方执行完同步代码块，放弃锁之后才起作用。
总结
好了，关于 wait noitfy 的使用和基本原理就介绍到这里，不知道大家发现没有，并发和虚拟机高度相关。因此，可以说，学习并发的过程就是学习虚拟机的过程。而阅读虚拟机里的 openjdk 代码让人头大，但不管怎么样，丑媳妇迟早见公婆，openjdk 代码是一定要看的，加油！！！！
网友评论