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Java 并发编程 001 | 深入理解Object类的 wai

Java 并发编程 001 | 深入理解Object类的 wai

作者: 8号新秀 | 来源:发表于2019-08-17 14:48 被阅读0次

概述

线程的状态

Java 中线程中状态可分为五种:New(新建状态),Runnable(就绪状态),Running(运行状态),Blocked(阻塞状态),Dead(死亡状态)

  • New:新建状态,当线程创建完成时为新建状态,即new Thread(...),还没有调用start方法时,线程处于新建状态。

  • Runnable:就绪状态,当调用线程的的start方法后,线程进入就绪状态,等待CPU资源。处于就绪状态的线程由Java运行时系统的线程调度程序(thread scheduler)来调度。

  • Running:运行状态,就绪状态的线程获取到CPU执行权以后进入运行状态,开始执行run方法。

  • Blocked:阻塞状态,线程没有执行完,由于某种原因(如,I/O操作等)让出CPU执行权,自身进入阻塞状态。

  • Dead:死亡状态,线程执行完成或者执行过程中出现异常,线程就会进入死亡状态。

这五种状态之间的转换关系如下图所示

image

Java中是如何实现这几种状态的转换的

通过 wait/notify/notifyAll 方法的使用

这三个方法都是在 Object 对象中定义的,本篇详细讲解

通过 sleep/yield/join 方法的使用

这三个方法都是在 Thread 对象中定义的,这里不做讲解,具体可看 深入理解Thread类 这篇文章

各个方法解析

以下是 Object 类的源码

public class Object {
        public final native void notify();
  
    public final native void notifyAll();
  
    public final native void wait(long timeout) throws InterruptedException;
  
    public final void wait() throws InterruptedException {
        wait(0);
    }
}

wait、notify和notifyAll方法是Object类的final native方法。所以这些方法不能被子类重写,Object类是所有类的超类,因此在程序中有以下三种形式调用wait等方法。

wait();//方式1:
this.wait();//方式2:
super.wait();//方式3

void wait()

导致线程进入等待状态,直到它被其他线程通过notify()或者notifyAll唤醒。该方法只能在同步方法同步块中调用。如果当前线程不是锁的持有者,该方法抛出一个IllegalMonitorStateException异常。

void wait(long millis) 和 void wait(long millis, int nanos)

导致线程进入等待状态直到它被通知或者经过指定的时间。这些方法只能在同步方法同步块中调用。如果当前线程不是锁的持有者,该方法抛出一个IllegalMonitorStateException异常。

void notifyAll()

解除所有那些在该对象上调用wait方法的线程的阻塞状态。该方法只能在同步方法同步块内部调用。如果当前线程不是锁的持有者,该方法抛出一个IllegalMonitorStateException异常。

void notify()

随机选择一个在该对象上调用wait方法的线程,解除其阻塞状态。该方法只能在同步方法同步块内部调用。如果当前线程不是锁的持有者,该方法抛出一个IllegalMonitorStateException异常。

Object.wait()和Object.notify()和Object.notifyall()必须写在synchronized方法内部或者synchronized块内部,这是因为:这几个方法要求当前正在运行object.wait()方法的线程拥有object的对象锁。即使你确实知道当前上下文线程确实拥有了对象锁,也不能将object.wait()这样的语句写在当前上下文中。

从这三个方法的文字描述可以知道以下几点信息:

1)wait()、notify()和notifyAll()方法是本地方法,并且为final方法,无法被重写。

2)调用某个对象的wait()方法能让当前线程阻塞,并且当前线程必须拥有此对象的monitor(即锁)

3)调用某个对象的notify()方法能够唤醒一个正在等待这个对象的monitor的线程,如果有多个线程都在等待这个对象的monitor,则只能唤醒其中一个线程;

4)调用notifyAll()方法能够唤醒所有正在等待这个对象的monitor的线程;

上面已经提到,如果调用某个对象的wait()方法,当前线程必须拥有这个对象的monitor(即锁),因此调用wait()方法必须在同步块或者同步方法中进行(synchronized块或者synchronized方法)。

调用某个对象的wait()方法,相当于让当前线程交出此对象的monitor,然后进入等待状态,等待后续再次获得此对象的锁(Thread类中的sleep方法使当前线程暂停执行一段时间,从而让其他线程有机会继续执行,但它并不释放对象锁);

notify()方法能够唤醒一个正在等待该对象的monitor的线程,当有多个线程都在等待该对象的monitor的话,则只能唤醒其中一个线程,具体唤醒哪个线程则不得而知。

同样地,调用某个对象的notify()方法,当前线程也必须拥有这个对象的monitor,因此调用notify()方法必须在同步块或者同步方法中进行(synchronized块或者synchronized方法)。

nofityAll()方法能够唤醒所有正在等待该对象的monitor的线程,这一点与notify()方法是不同的。

这里要注意一点:notify()和notifyAll()方法只是唤醒等待该对象的monitor的线程,并不决定哪个线程能够获取到monitor。

举个简单的例子:假如有三个线程Thread1、Thread2和Thread3都在等待对象objectA的monitor,此时Thread4拥有对象objectA的monitor,当在Thread4中调用objectA.notify()方法之后,Thread1、Thread2和Thread3只有一个能被唤醒。注意,被唤醒不等于立刻就获取了objectA的monitor。假若在Thread4中调用objectA.notifyAll()方法,则Thread1、Thread2和Thread3三个线程都会被唤醒,至于哪个线程接下来能够获取到objectA的monitor就具体依赖于操作系统的调度了。

上面尤其要注意一点,一个线程被唤醒不代表立即获取了对象的monitor,只有等调用完notify()或者notifyAll()并退出synchronized块,释放对象锁后,其余线程才可获得锁执行。

为什么wait()和notify()属于Object类

wait()和notify()是Java给我们提供线程之间通信的API,既然是线程的东西,那什么是在Object类上定义,而不是在Thread类上定义呢?

其实这个问题很简单,由于每个对象都拥有monitor(即锁),所以让当前线程等待某个对象的锁,当然应该通过这个对象来操作了。而不是用当前线程来操作,因为当前线程可能会等待多个线程的锁,如果通过线程来操作,就非常复杂了。

Java 线程wait()之后一定要notify()才能唤醒吗?

不一定!

线程正常结束后,会使以这个线程对象运行的wait()等待,退出等待状态!而如果在运行wait()之前,线程已经结束了,则这个wait就没有程序唤醒了

实际上,Thread源码里面的join()方法也是使用这种机制:

As a thread terminates the {@code this.notifyAll} method is invoked.

源码里的join()方法,实际上就是运行的 wait(). 需要运行join的线程运行join方法,实际上是在此线程上调用了需要加入的线程对象的wait()方法,加入的线程运行完后,会自动调用 notifyAll 方法,被 join 的线程自然能够继续执行了。

/**
 * Waits at most {@code millis} milliseconds for this thread to
 * die. A timeout of {@code 0} means to wait forever.
 *
 * <p> This implementation uses a loop of {@code this.wait} calls
 * conditioned on {@code this.isAlive}. As a thread terminates the
 * {@code this.notifyAll} method is invoked. It is recommended that
 * applications not use {@code wait}, {@code notify}, or
 * {@code notifyAll} on {@code Thread} instances.
 *
 * @param  millis
 *         the time to wait in milliseconds
 *
 * @throws  IllegalArgumentException
 *          if the value of {@code millis} is negative
 *
 * @throws  InterruptedException
 *          if any thread has interrupted the current thread. The
 *          <i>interrupted status</i> of the current thread is
 *          cleared when this exception is thrown.
 */
public final synchronized void join(long millis)
throws InterruptedException {
    long base = System.currentTimeMillis();
    long now = 0;

    if (millis < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("timeout value is negative");
    }

    if (millis == 0) {
        while (isAlive()) {
            wait(0);
        }
    } else {
        while (isAlive()) {
            long delay = millis - now;
            if (delay <= 0) {
                break;
            }
            wait(delay);
            now = System.currentTimeMillis() - base;
        }
    }
}

线程对象的wait()方法运行后,可以不用其notify()方法退出,会在线程结束后,自动退出。

Condition

Condition是在java 1.5中才出现的,它用来替代传统的Object的wait()、notify()实现线程间的协作,相比使用Object的wait()、notify(),使用Condition1的await()、signal()这种方式实现线程间协作更加安全和高效。因此通常来说比较推荐使用Condition,在阻塞队列那一篇博文中就讲述到了,阻塞队列实际上是使用了Condition来模拟线程间协作。

  • Condition是个接口,基本的方法就是await()和signal()方法;
  • Condition依赖于Lock接口,生成一个Condition的基本代码是lock.newCondition()
  • 调用Condition的await()和signal()方法,都必须在lock保护之内,就是说必须在lock.lock()和lock.unlock之间才可以使用

Conditon中的await()对应Object的wait();

Condition中的signal()对应Object的notify();

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

生产者-消费者模型的实现

1.使用Object的wait()和notify()实现

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("队列空,等待数据");
                            queue.wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                            queue.notify();
                        }
                    }
                    queue.poll();          //每次移走队首元素
                    queue.notify();
                    System.out.println("从队列取走一个元素,队列剩余"+queue.size()+"个元素");
                }
            }
        }
    }
      
    class Producer extends Thread{
          
        @Override
        public void run() {
            produce();
        }
          
        private void produce() {
            while(true){
                synchronized (queue) {
                    while(queue.size() == queueSize){
                        try {
                            System.out.println("队列满,等待有空余空间");
                            queue.wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                            queue.notify();
                        }
                    }
                    queue.offer(1);        //每次插入一个元素
                    queue.notify();
                    System.out.println("向队列取中插入一个元素,队列剩余空间:"+(queueSize-queue.size()));
                }
            }
        }
    }
}

2.使用Condition实现

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("队列空,等待数据");
                            notEmpty.await();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                    queue.poll();                //每次移走队首元素
                    notFull.signal();
                    System.out.println("从队列取走一个元素,队列剩余"+queue.size()+"个元素");
                } 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("队列满,等待有空余空间");
                            notFull.await();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                    queue.offer(1);        //每次插入一个元素
                    notEmpty.signal();
                    System.out.println("向队列取中插入一个元素,队列剩余空间:"+(queueSize-queue.size()));
                } finally{
                    lock.unlock();
                }
            }
        }
    }
}

参考资料

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