Java 多线程同步问题的探究（四、协作，互斥下的协作——Java多线程协作（wait、notify、notifyAll））
Java监视器支持两种线程：互斥和协作 。
前面我们介绍了采用对象锁和重入锁来实现的互斥。这一篇中，我们来看一看线程的协作。
举个例子：有一家汉堡店举办吃汉堡比赛，决赛时有3个顾客来吃，3个厨师来做，一个服务员负责协调汉堡的数量。为了避免浪费，制作好的汉堡被放进一个能装 有10个汉堡的长条状容器中，按照先进先出的原则取汉堡。如果容器被装满，则厨师停止做汉堡，如果顾客发现容器内的汉堡吃完了，就可以拍响容器上的闹铃， 提醒厨师再做几个汉堡出来。此时服务员过来安抚顾客，让他等待。而一旦厨师的汉堡做出来，就会让服务员通知顾客，汉堡做好了，让顾客继续过来取汉堡。
这里，顾客其实就是我们所说的消费者，而厨师就是生产者。容器是决定厨师行为的监视器，而服务员则负责监视顾客的行为。
在JVM中，此种监视器被称为等待并唤醒监视器 。
在这种监视器中，一个已经持有该监视器的线程 ，可以通过调用 监视对象的wait方法 ，暂停 自身的执行，并释放监视器 ，自己进入一个等待区 ，直到监视器内的 其他线程调用 了监视对象的notify方法 。当一个线程调用唤醒 命令以后，它会持续持有监视器，直到它主动释放监视器。而这之后，等待线程会苏醒，其中的 一个会重新获得监视器，判断条件状态，以便决定是否继续进入等待状态或者执行监视区域，或者退出。
package sky.cn.test4;
public class NotifyTest {
private String flag = "true";
class NotifyThread extends Thread {
public NotifyThread (String name) {
super(name);
}
public void run() {
try {
sleep(3000); //延迟3秒通知
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
flag = "false";
flag.notify();
}
}
class WaitThread extends Thread {
public WaitThread(String name) {
super(name);
}
public void run() {
while (flag != "false") {
System.out.println(getName() + " begin waiting!");
long startTime = System.currentTimeMillis();
try {
flag.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
long endTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println(getName() + " wai time: " + (endTime - startTime));
}
System.out.println(getName() + " end waiting!");
}
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println("Main Thread Run!");
NotifyTest test = new NotifyTest();
NotifyThread notifyThread = test.new NotifyThread("notify01");
WaitThread waitThread01 = test.new WaitThread("waitThread01");
WaitThread waitThread02 = test.new WaitThread("waitThread02");
WaitThread waitThread03 = test.new WaitThread("waitThread03");
notifyThread.start();
waitThread01.start();
waitThread02.start();
waitThread03.start();
}
}
这段代码启动了三个 简单的wait线程 ，当他们处于等待状态以后，试图由一个notify线程 来唤醒。
运行这段程序，你会发现，满屏的java.lang.IllegalMonitorStateException ，根本不是你想要的结果。
请注意以下几个事实：
1. 任何一个时刻，对象的控制权（monitor）只能被一个线程拥有。
2. 无论是执行对象的wait、notify还是notifyAll方法，必须保证当前运行的线程取得了该对象的控制权（monitor）。
3. 如果在没有控制权的线程里执行对象的以上三种方法，就会报java.lang.IllegalMonitorStateException异常 。
4. JVM基于多线程，默认情况下不能保证运行时线程的时序性。
也就是说，当线程在调用某个对象的wait或者notify方法的时候，要先取得该对象的控制权，换句话说，就是进入这个对象的监视器。
通过前面对同步的讨论，我们知道，要让一个线程进入某个对象的监视器 ，通常有三种方法 ：
1： 执行对象的某个同步实例方法
2： 执行对象对应的同步静态方法
3： 执行对该对象加同步锁的同步块
显然，在上面的例程中，我们用第三种方法比较合适。
于是我们将上面的wait和notify方法调用包在同步块中。
synchronized (flag) {
flag = "false";
flag.notify();
}
synchronized (flag) {
while (flag != "false") {
System.out.println(getName() + " begin waiting!");
long startTime = System.currentTimeMillis();
try {
flag.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
long endTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println(getName() + " wai time: " + (endTime - startTime));
}
System.out.println(getName() + " end waiting!");
}
但是，运行这个程序，我们发现事与愿违。那个非法监视器异常 又出现了。。。
我们注意到，针对flag的同步块 中，我们实际上已经更改了flag对对象的引用： flag="false";
显然，这样一来，同步块也无能为力了，因为我们根本不是针对唯一的一个对象在进行同步 。
我们不妨将flag封装到JavaBean或者数组中去，这样用JavaBean对象或者数组对象进行同步 ，就可以达到既能修改里面参数又不耽误同步的目的。
private String[] flag = {"true"};
synchronized (flag) {
flag[0] = "false";
flag.notify();
}
synchronized (flag) {
while (flag[0] != "false") {
System.out.println(getName() + " begin waiting!");
long startTime = System.currentTimeMillis();
try {
flag.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
long endTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println(getName() + " wait time: " + (endTime - startTime));
}
System.out.println(getName() + " end waiting!");
}
运行这个程序，看不到异常了 。但是仔细观察结果，貌似只有一个线程被唤醒 。利用jconsole等工具查看线程状态，发现的确还是有两个线程被阻塞的。这是为啥呢？
程序中使用了flag.notify()方法 。只能是随机的唤醒一个线程 。我们可以改用flag.notifyAll()方法 。这样，所有被阻塞的线程都会被唤醒了。
最终代码请读者自己修改，这里不再赘述。
好了，亲爱的读者们，让我们回到开篇提到的汉堡店大赛问题当中去，来看一看厨师、服务生和顾客是怎么协作进行这个比赛的。
首先我们构造故事中的三个次要对象：汉堡包、存放汉堡包的容器、服务生
package sky.cn.test4;
/**
* 服务生，配角，不需要属性
*/
public class Waiter {
}
package sky.cn.test4;
/**
* 汉堡包
*/
public class Hamberg {
private int id; //汉堡编号
private String cookerId; //厨师编号
public Hamberg(int id, String cookerId) {
this.id = id;
this.cookerId = cookerId;
System.out.println(this.toString());
}
public String toString() {
return "#hamberg " + id + "c" + cookerId + " makes by cooker " + cookerId;
}
}
package sky.cn.test4;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/**
* 汉堡包容器
*/
public class HambergFifo {
List<Hamberg> hambergs = new ArrayList<Hamberg>();
int maxSize = 10;
//放入汉堡
public <T extends Hamberg> void push(T t) {
hambergs.add(t);
}
//取出汉堡
public Hamberg pop() {
Hamberg h = hambergs.get(0);
hambergs.remove(0);
return h;
}
//判断容器是否为空
public synchronized boolean isEmpty() {
return hambergs.isEmpty();
}
//判断容器内汉堡的个数
public synchronized int size() {
return hambergs.size();
}
//返回窗口的最大容量
public synchronized int getMaxSize() {
return this.maxSize;
}
//判断容器是否已满，未满为真
public synchronized boolean isNotFull() {
return hambergs.size() < this.maxSize;
}
}
接下来我们构造厨师对象：
package sky.cn.test4;
/**
* 厨师
*/
public class Cooker implements Runnable {
HambergFifo pool; //厨师要面对容器
Waiter waiter; //还要面对服务生
public Cooker(Waiter waiter, HambergFifo pool) {
this.pool = pool;
this.waiter = waiter;
}
//制造汉堡
public void makeHamberg() {
//制造的个数
int madeCount = 0;
//因为容器满，被迫等待的次数
int fullFiredCount = 0;
String threadName = Thread.currentThread().getName();
try {
while (true) {
Thread.sleep(1000);
synchronized (pool) {
if (pool.isNotFull()) {
synchronized (waiter) {
//容器未满， 制作汉堡， 并放入容器
pool.push(new Hamberg(++madeCount, threadName));
//说出容器内汉堡数量
System.out.println(threadName + ": There are "
+ pool.size() + " hambergs in all");
//让服务生通知顾客，有汉堡可以吃了
waiter.notifyAll();
System.out.println("### Cooker: waiter.notifyAll(): "
+ " Hi!Customers, we got some new hambergs.");
}
} else {
if (fullFiredCount++ < 10) {
//发现容器满了，停止做汉堡的尝试
System.out.println(threadName + " : Hamberg Pool is Full," +
" stop making hamberg");
System.out.println("### Cooker: pool.wait()");
//汉堡容器的状况使厨师等待
pool.wait();
} else {
return ;
}
}
}
//做完汉堡要进行收尾工作，为下一次的制作做准备
Thread.sleep(1000);
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
madeCount--;
}
}
public void run() {
makeHamberg();
}
}
接下来，我们构造顾客对象：
package sky.cn.test4;
import java.util.Random;
/**
* 顾客
*/
public class Customer implements Runnable {
Waiter waiter; //顾客要面对服务生
HambergFifo pool; //也要面对汉堡包容器
int ateCount = 0; //想要记下自己吃了多少汉堡
long sleepTime; //吃每个汉堡的时间不尽相同
Random r = new Random(); //用于产生随机数
public Customer(Waiter waiter, HambergFifo pool) {
this.waiter = waiter;
this.pool = pool;
}
public void run() {
while (true) {
try {
//取汉堡
getHamberg();
//吃汉堡
eatHamberg();
} catch (Exception e) {
synchronized (waiter) {
System.out.println(e.getMessage());
//若取不到汉堡，要和服务生打交道
try {
System.out.println("###Customer: waiter.wait():" +
" Sorry, sir, there is no hambergs left, please wait");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() +
": OK, waiting for a new hamberg");
//服务生安抚客户，让他等待
waiter.wait();
continue;
} catch (InterruptedException ie) {
ie.printStackTrace();
}
}
}
}
}
private void eatHamberg() {
try {
//吃每个汉堡的时间不等
sleepTime = Math.abs(r.nextInt(3000)) * 5;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ " : I`m eating the hamberg for " + sleepTime
+ " milliseconds");
Thread.sleep(sleepTime);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
private void getHamberg() {
Hamberg hamberg = null;
synchronized (pool) {
try {
//从容器内取汉堡
hamberg = pool.pop();
ateCount++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ ": I got " + ateCount + "th hamberg " + hamberg);
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ ": There are still " + pool.size() + " hambergs left");
} catch (Exception e) {
pool.notifyAll();
System.out.println("### Customer: pool.notifyAll()");
throw new RuntimeException(Thread.currentThread().getName() +
": Oh my god!!! No hambergs left, waiter!" +
" [Ring the bell besides the hamberg pool]");
}
}
}
}
最后，我们构造汉堡店，让这个故事发生：
package sky.cn.test4;
public class HambergShop {
Waiter waiter = new Waiter();
HambergFifo hambergPool = new HambergFifo();
Customer customer = new Customer(waiter, hambergPool);
Cooker cooker = new Cooker(waiter, hambergPool);
public static void main(String[] args) {
HambergShop hambergShop = new HambergShop();
Thread t1 = new Thread(hambergShop.customer, "1");
Thread t2 = new Thread(hambergShop.customer, "2");
Thread t3 = new Thread(hambergShop.customer, "3");
Thread t4 = new Thread(hambergShop.cooker, "1");
Thread t5 = new Thread(hambergShop.cooker, "2");
Thread t6 = new Thread(hambergShop.cooker, "3");
t4.start();
t5.start();
t6.start();
try {
Thread.sleep(10000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
运行这个程序吧，然后你会看到我们汉堡店的比赛进行的很好，只是不知道那些顾客是不是会被撑到。。。
读到这里，有的读者可能会想到前面介绍的重入锁ReentrantLock。
有的读者会问：如果我用ReentrantLock来代替上面这些例程当中的 synchronized块，是不是也可以呢？感兴趣的读者不妨一试。
但是在这里，我想提前给出结论，就是，
如果用ReentrantLock的lock()和unlock()方法代替上面的synchronized块 ，那么上面这些程序还是要抛出 java.lang.IllegalMonitorStateException异常 的，不仅如此，你甚至还会看到线程死锁 。原因就是当某个线程调用第三 方对象的wait或者notify方法的时候，并没有进入第三方对象的监视器，于是抛出了异常信息 。但此时，程序流程如果没有用finally来处理 unlock方法，那么你的线程已经被lock方法上锁，并且无法解锁。程序在java.util.concurrent框架的语义级别死锁了 ，你用 JConsole这种工具来检测JVM死锁，还检测不出来。
正确的做法就是，只使用ReentrantLock，而不使用wait或者notify方法 。因为ReentrantLock已经对这种互斥和协作进行了概括。所以，根据你程序的需要，请单独采用重入锁或者synchronized一种同步机制，最好不要混用 。
好了，我们现在明白：
1. 线程的等待或者唤醒，并不是让线程调用自己的wait或者notify方法，而是通过调用线程共享对象的wait或者notify方法来实现。
2. 线程要调用某个对象的wait或者notify方法，必须先取得该对象的监视器。
3. 线程的协作必须以线程的互斥为前提，这种协作实际上是一种互斥下的协作 。
下一讲当中，我们来看看如何实实在在的解决线程之间抢占共享资源的问题。敬请期待！
来源： http://www.blogjava.net/zhangwei217245/archive/2010/04/24/316526.html