Java 使用 wait / notify / notifyAll 实现线程间通信

在 Java 中，可以通过配合调用 Object 对象的 wait() 方法和 notify() 方法或 notifyAll() 方法来实现线程间的通信。在线程中调用 wait() 方法，将阻塞等待其他线程的通知（其他线程调用 notify() 方法或 notifyAll() 方法），在线程中调用 notify() 方法或 notifyAll() 方法，将通知其他线程从 wait() 方法处返回。

Object 是所有类的超类，它有 5 个方法组成了等待 / 通知机制的核心：notify()、notifyAll()、wait()、wait(long) 和 wait(long, int)。在 Java 中，所有的类都从 Object 继承而来，因此，所有的类都拥有这些共有方法可供使用。而且，由于他们都被声明为 final，因此在子类中不能覆写任何一个方法。

wait()

public final void wait() throws InterruptedException, IllegalMonitorStateException

该方法用来将当前线程置入休眠状态，直到接到通知或被中断为止。在调用 wait() 之前，线程必须要获得该对象的对象级别锁，即只能在同步方法或同步块中调用 wait() 方法。进入 wait() 方法后，当前线程释放锁。如果调用 wait() 时，没有持有适当的锁，则抛出 IllegalMonitorStateException，它是 RuntimeException 的一个子类，因此，不需要 try-catch 结构。线程被唤醒后，会从上次调用 wait() 方法的地方继续执行。所以一般在循环中调用 wait() 方法，对于从 wait() 中被 notify() 的进程来说，它在被 notify() 之后还需要重新检查是否符合执行条件，如果不符合，就必须再次被 wait()，如果符合才能往下执行

notify()

public final native void notify() throws IllegalMonitorStateException

该方法也要在同步方法或同步块中调用，即在调用前，线程也必须要获得该对象的对象级别锁，的如果调用 notify() 时没有持有适当的锁，也会抛出 IllegalMonitorStateException。

该方法用来通知那些可能等待该对象的对象锁的其他线程。如果有多个线程等待，则线程规划器任意挑选出其中一个 wait() 状态的线程来发出通知，并使它等待获取该对象的对象锁（notify 后，当前线程不会马上释放该对象锁，wait 所在的线程并不能马上获取该对象锁，要等到程序退出 synchronized 代码块后，当前线程才会释放锁，wait 所在的线程也才可以获取该对象锁），但不惊动其他同样在等待被该对象 notify 的线程们。当第一个获得了该对象锁的 wait 线程运行完毕以后，它会释放掉该对象锁，此时如果该对象没有再次使用 notify 语句，则即便该对象已经空闲，其他 wait 状态等待的线程由于没有得到该对象的通知，会继续阻塞在 wait 状态，直到这个对象发出一个 notify 或 notifyAll。这里需要注意：它们等待的是被 notify 或 notifyAll，而不是锁。这与下面的 notifyAll() 方法执行后的情况不同。

notifyAll()

public final native void notifyAll() throws IllegalMonitorStateException

该方法与 notify() 方法的工作方式相同，重要的一点差异是：

notifyAll 使所有原来在该对象上 wait 的线程统统退出 wait 的状态（即全部被唤醒，不再等待 notify 或notifyAll，但由于此时还没有获取到该对象锁，因此还不能继续往下执行），变成等待获取该对象上的锁，一旦该对象锁被释放（notifyAll 线程退出调用了 notifyAll 的 synchronized 代码块的时候），他们就会去竞争。如果其中一个线程获得了该对象锁，它就会继续往下执行，在它退出 synchronized 代码块，释放锁后，其他的已经被唤醒的线程将会继续竞争获取该锁，一直进行下去，直到所有被唤醒的线程都执行完毕。

wait(long) 和 wait(long, int)

这两个方法是设置等待超时时间的，后者在超时时间上加上 ns，精度也难以达到，因此，该方法很少使用。对于前者，如果在等待线程接到通知或被中断之前，已经超过了指定的毫秒数，则它通过竞争重新获得锁，并从 wait(long) 返回。另外，需要知道，如果设置了超时时间，当 wait() 返回时，我们不能确定它是因为接到了通知还是因为超时而返回的，因为 wait() 方法不会返回任何相关的信息。但一般可以通过设置标志位来判断，在 notify 之前改变标志位的值，在 wait() 方法后读取该标志位的值来判断，当然为了保证 notify 不被遗漏，我们还需要另外一个标志位来循环判断是否调用 wait() 方法。

生产者消费者实例说明 wait、notify、notifyAll 的使用方法

public class ProducerConsumerInJava { 
    public static void main(String args[]) { 
        Queue 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. 
 */
class Producer extends Thread { 
    private Queue queue; 
    private int maxSize; 
    public Producer(Queue 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. 
 */
class Consumer extends Thread { 
    private Queue queue; 
    private int maxSize; 
    public Consumer(Queue 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(); 
                } 
            } 
        } 
    }
}

总结

如果线程调用了对象的 wait() 方法，那么线程便会处于该对象的等待池中，等待池中的线程不会去竞争该对象的锁

当有线程调用了对象的 notifyAll() 方法（唤醒所有 wait 线程）或 notify() 方法（只随机唤醒一个 wait 线程），被唤醒的的线程便会进入该对象的锁池中，锁池中的线程会去竞争该对象锁

优先级高的线程竞争到对象锁的概率大，假若某线程没有竞争到该对象锁，它还会留在锁池中，唯有线程再次调用 wait() 方法，它才会重新回到等待池中。而竞争到对象锁的线程则继续往下执行，直到执行完了 synchronized 代码块，它会释放掉该对象锁，这时锁池中的线程会继续竞争该对象锁

永远在 synchronized 的函数或对象里使用 wait、notify 和 notifyAll，不然会抛出
IllegalMonitorStateException

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（用 if 判断的话，唤醒后线程会从 wait 之后的代码开始运行，但是不会重新判断 if 条件，直接继续运行 if 代码块之后的代码，而如果使用 while 的话，也会从 wait 之后的代码运行，但是唤醒后会重新判断循环条件，如果不成立再执行 while 代码块之后的代码块，成立的话继续 wait）

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

一般倾向用 notifyAll()，而不是 notify()