Java并发协作——Wait-Notify机制

前言

周末在肯德基手写《编程之美》上的“多线程高效下载”题目的时候，发现这是典型的Java并发协作——生产者、消费者问题，因此这里想记录一下这一经典模型。但是，在学习Java生产者、消费者模型之前，必须先要了解Java的Wait-Notify机制。

Wait-Notify场景

典型的Wait-Notify场景一般与以下两个内容相关：

1. 状态变量（State Variable）

当线程需要wait的时候，总是因为一些条件得不到满足导致的。例如往队列里填充数据，当队列元素已经满时，线程就需要wait停止运行。当队列元素有空缺时，再继续自己的执行。

2. 条件断言（Condition Predicate）

当线程确定是否进入wait或者是从notify醒来的时候是否继续往下执行，大部分都要测试状态条件是否满足。例如，往队列里添加元素，队列已满，于是阻塞当前线程，当有其他线程从队列里取走了元素，就通知在等待的线程“队列有剩余空间，可以往里添加元素了”。这时，等待添加元素的进程就会被唤醒，然后判断一下当前队列是否真的有剩余空间，如果真的有剩余空间，就将元素添加进去，如果没有，则继续阻塞等待下次唤醒。

3. 条件队列（Condition Queue）

每个对象都有一个内置的条件队列，当一个线程在该对象锁上调用wait函数的时候，就会将该线程加入到该对象的条件队列中。

注意

wait与notify是Java同步机制中的重要组成部分。结合与synchronized关键字使用，可以建立很多优秀的同步模型，例如生产者-消费者模型。但是在使用wait()、notify()、notifyAll()函数的时候，需要特别注意以下几点：

• wait()、notify()、notifyAll()方法不属于Thread类，而是属于Object基础类，也就是说每个对象都有wait()、notify()、notifyAll()的功能。因为每个对象都有锁，锁是每个对象的基础，因此操作锁的方法也是最基础的。
• 调用obj的wait(), notify()方法前，必须获得obj锁，也就是必须写在synchronized(obj){...} 代码段内。
• 调用obj.wait()后，线程A就释放了obj的锁，否则线程B无法获得obj锁，也就无法在synchronized(obj){...} 代码段内唤醒线程A。
• 当obj.wait()方法返回后，线程A需要再次获得obj锁，才能继续执行。
• 如果线程A1,A2,A3都在obj.wait()，则线程B调用obj.notify()只能唤醒线程A1,A2,A3中的一个（具体哪一个由JVM决定）。
• 如果线程B调用obj.notifyAll()则能全部唤醒等待的线程A1,A2,A3，但是等待的线程要继续执行obj.wait()的下一条语句，必须获得obj锁。因此，线程A1,A2,A3只有一个有机会获得锁继续执行，例如A1，其余的需要等待A1释放obj锁之后才能继续执行。
• 当线程B调用obj.notify()或者obj.notifyAll()的时候，线程B正持有obj锁，因此，线程A1,A2,A3虽被唤醒，但是仍无法获得obj锁。直到线程B退出synchronized代码块，释放obj锁后，线程A1,A2,A3中的一个才有机会获得对象锁并得以继续执行。

示例代码

线程的wait操作的典型代码结构如下：

public void test() throws InterruptedException {
    synchronized(obj) {
        while (! contidition) {
            obj.wait();
        }
    }
}

为什么obj.wait()操作必须位于循环中呢？有以下几个主要原因：

1. 一个对象锁可能用于保护多个状态变量，当它们都需要wait-notify操作时，如果不将wait放到while循环中就会有问题。例如，某对象锁obj保护两种状态变量a和b，当a的条件断言不成立时发生了wait操作，当b的条件断言不成立时也发生了wait操作，两个线程被加入到obj对应的条件队列中。现在若改变状态变量a的某操作发生，在obj上调用了notifyAll操作，则obj对应的条件队列里的所有线程均被唤醒，之前等待a的一个或几个线程去判断a的条件断言可能成立了，但是b对于的条件断言肯定仍不成立，而此时等待b的线程也被唤醒了，所以需要循环判断b的条件断言是否满足，如果不满足，则继续wait。

2. 多个线程wait的同一状态的条件断言。例如，向队列添加元素的场景，当前队列是满的，多个线程想往里面添加元素，于是都wait了。此时，另一个线程从队列里取出了一个元素，调用了notifyAll操作，唤醒了所有线程，但是只有一个线程能够往队列里添加一个元素，其他的仍需要等待。

3. 虚假唤醒。在没有被通知、中断或超时的情况下，线程自动苏醒了。虽然这种情况在实践中很少发生，但是通过循环等待可以杜绝这一情况的发生。

参考链接

1. Wait-Notify机制 http://www.ticmy.com/?p=219