Java线程通信之wait-notify通信方式详解

目录

• 1.线程通信的定义
• 2.为什么需要wait-notify?
• 3.wait方法和notify方法
• 1、对象的wait()方法
• 2、对象的notify()方法
• 4.wait方法和notify方法的原理
• 5.wait方法和notify方法示例
• 1、进入Object监视器的线程才能调用wait()方法
• 2、进入Object监视器的线程才能调用notify()方法
• 6.为什么wait和notify方法要在同步块中调用？
• 总结

问题：

1.线程 wait()方法使用有什么前提？

2. 多线程之间如何进行通信？

3. Java 中 notify 和 notifyAll 有什么区别？

4. 为什么 wait/notify/notifyAll 这些方法不在 thread 类里面？

5. 为什么 wait 和 notify 方法要在同步块中调用？

6. notify()和 notifyAll()有什么区别？

1. 线程通信的定义

线程是操作系统调度的最小单位，有自己的栈空间，可以按照既定的代码逐步执行，但是如果每个线程间都孤立地运行，就会造资源浪费。所以在现实中，如果需要多个线程按照指定的规则共同完成一个任务，那么这些线程之间就需要互相协调，这个过程被称为线程的通信。

线程的通信可以被定义为：当多个线程共同操作共享的资源时，线程间通过某种方式互相告知自己的状态，以避免无效的资源争夺。

线程间通信的方式可以有很多种：等待-通知、共享内存、管道流。“等待-通知”通信方式是Java中使用普遍的线程间通信方式，其经典的案例是“生产者-消费者”模式。

2. 为什么需要wait-notify?

场景：有几个小孩都想进入房间内使用算盘（CPU）进行计算，老王(操作系统)就使用了一把锁（synchronized）让同一时间只有一个小孩能进入房间使用算盘，于是他们排队进入房间。

(1) 小南最先获取到了锁，进入到房间内，但是由于条件不满足（没烟干不了活），小南不能继续进行计算 ，但小南如果一直占用着锁，其它人就得一直阻塞，效率太低。

(2) 于是老王单开了一间休息室（调用 wait 方法），让小南到休息室（WaitSet）等着去了，这时锁释放开， 其它人可以由老王随机安排进屋

(3) 直到小M将烟送来，大叫一声 [ 你的烟到了 ] （调用 notify 方法）

(4) 小南于是可以离开休息室，重新进入竞争锁的队列

java语言中“等待-通知”方式的线程间通信使用对象的wait()、notify()两类方法来实现。每个java对象都有wait()、notify()两类实例方法，并且wait()、notify()方法和对象的监视器是紧密相关的。

wait()、notify()两类方法在数量上不止两个。wait()、notify()两类方法不属于Thread类，而是属于java对象实例。

3. wait方法和notify方法

java对象中的wait()、notify()两类方法就如同信号开关，用于等待方和通知方之间的交互。

1、对象的wait()方法

对象的wait()方法的主要作用是让当前线程阻塞并等待被唤醒。wait()方法与对象监视器紧密相关，使用wait()方法时一定要放在同步块中。wait()方法的调用方法如下：

public class Main {
    static final Object lock = new Object();
    public static void method1() throws InterruptedException {
        synchronized( lock ) {
            lock.wait();
        }
    }
}

Object类中的wait()方法有三个版本：

(1) void wait()：当前线程调用了同步对象lock的wait()实例方法后，将导致当前的线程等待，当前线程进入lock的监视器WaitSet，等待被其他线程唤醒；

(2) void wait(long timeout)：限时等待。导致当前的线程等待，等待被其他线程唤醒，或者指定的时间timeout用完，线程不再等待；

(3) void wait(long timeout,int nanos)：高精度限时等待，其主要作用是更精确地控制等待时间。参数nanos是一个附加的纳秒级别的等待时间；

2、对象的notify()方法

对象的notify()方法的主要作用是唤醒在等待的线程。notify()方法与对象监视器紧密相关，调用notify()方法时也需要放在同步块中。notify()方法的调用方法如下：

public class Main {
    static final Object lock = new Object();
    public static void method1() throws InterruptedException {
        synchronized( lock ) {
            lock.notify();
        }
    }
}

notify()方法有两个版本：

(1)void notify()：lock.notify()调用后，唤醒lock监视器等待集中的第一条等待线程；被唤醒的线程进入EntryList，其状态从WAITING变成BLOCKED。

(2) void notifyAll()：lock.notifyAll()被调用后，唤醒lock监视器等待集中的全部等待线程，所有被唤醒的线程进入EntryList，线程状态从WAITING变成BLOCKED。

小结：

obj.wait()：让进入Object监视器的线程到waitset等待

obj.notify()：在Object上正在waitset等待的线程中挑一个唤醒

obj.notifyAll()：让在Object上正在waitset等待的线程全部唤醒

4. wait方法和notify方法的原理

对象的wait()方法的核心原理大致如下：

(1) 当线程调用了lock（某个同步锁对象）的wait()方法后，jvm会将当前线程加入lock监视器的WaitSet（等待集），等待被其他线程唤醒。

(2) 当前线程会释放lock对象监视器的Owner权利，让其他线程可以抢夺lock对象的监视器。

(3) 让当前线程等待，其状态变成WAITING。在线程调用了同步对象lock的wait()方法之后，同步对象lock的监视器内部状态大致如图2-15所示。

对象的notify()或者notifyAll()​​​​​​​​​​​​​​方法的原理大致如下：

(1) 当线程调用了lock（某个同步锁对象）的notify()方法后，jvm会唤醒lock监视器WaitSet中的第一条等待线程。

(2) 当线程调用了lock的notifyAll()方法后，jvm会唤醒lock监视器WaitSet中的所有等待线程。

(3) 等待线程被唤醒后，会从监视器的WaitSet移动到EntryList，线程具备了排队抢夺监视器Owner权利的资格，其状态从WAITING变成BLOCKED。

(4) EntryList中的线程抢夺到监视器的Owner权利之后，线程的状态从BLOCKED变成Runnable，具备重新执行的资格。

(1) Owner 线程发现条件不满足，调用wait 方法，即可进入WaitSet，变为 WAITING 状态 ；

(2) BLOCKED 和WAITING 的线程都处于阻塞状态，不占用CPU时间片 ；

(3) BLOCKED：线程会在Owner 线程释放锁时唤醒 ；

(4) WAITING ：线程会在Owner 线程调用notify 或 notifyAll时唤醒，但唤醒后并不意味者立刻获得锁，仍需进入 EntryList 重新竞争；

5. wait方法和notify方法示例

1、进入Object监视器的线程才能调用wait()方法

小南并不能直接进入WaitSet休息室，而是获取锁进入房间后才能进入休息室，没有锁的话小南没法进入房间，更没法进入休息室。他进入休息室后就会释放锁，让其他线程竞争锁进入房间。

public class Main {
    static final Object lock = new Object();
    public static void main(String[] args) {
        synchronized (lock){
            try {
                // 只有成为了monitor对象的owner,即获得了对象锁之后，才有资格进入waitset等待
                lock.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

2、进入Object监视器的线程才能调用notify()方法

小M此时获取到了锁，进入了房间，并唤醒了在休息室中等待的小王，小M如果获取到锁进行房间时没有办法唤醒在休息室等待的小王的，因为此时小M在门外，小王根本听不到。

使用notify()唤醒等待区的一个线程：

public class Main {
    static final Object lock = new Object();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(()->{
            System.out.println("t1线程开始执行...");
            synchronized (lock){
                try {
                    // 让t1线程在lock锁的waitset中等待
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                // 被唤醒后，继续执行
                System.out.println("线程t1被唤醒...");
            }
        },"t1");
        t1.start();
        Thread t2 = new Thread(()->{
            System.out.println("t2线程开始执行...");
            synchronized (lock){
                try {
                    // 让t2线程在lock锁的waitset中等待
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            // 被唤醒后，继续执行
            System.out.println("线程t2被唤醒...");
        },"t2");
        t2.start();
        Thread.sleep(2000);
        System.out.println("唤醒lock锁上等待的线程...");
        synchronized (lock){
            // 主线程拿到锁后，唤醒正在休息室中等待的某一个线程
            lock.notify();
        }
    }
}

执行结果：

t1线程开始执行...
t2线程开始执行...
唤醒lock锁上等待的线程...
线程t1被唤醒...

使用notifyAll()唤醒等待区所有的线程：

public class Main {
    static final Object lock = new Object();
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread t1 = new Thread(()->{
            System.out.println("t1线程开始执行...");
            synchronized (lock){
                try {
                    // 让t1线程在lock锁的waitset中等待
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                // 被唤醒后，继续执行
                System.out.println("线程t1被唤醒...");
            }
        },"t1");

        t1.start();
        Thread t2 = new Thread(()->{
            System.out.println("t2线程开始执行...");
            synchronized (lock){
                try {
                    // 让t2线程在lock锁的waitset中等待
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            // 被唤醒后，继续执行
            System.out.println("线程t2被唤醒...");
        },"t2");
        t2.start();

        Thread.sleep(2000);

        System.out.println("唤醒lock锁上等待的线程...");
        synchronized (lock){
            // 主线程拿到锁后，唤醒正在休息室中等待的所有线程
            lock.notifyAll();
        }
    }
}

执行结果：

t1线程开始执行...
t2线程开始执行...
唤醒lock锁上等待的线程...
线程t2被唤醒...
线程t1被唤醒...

6. 为什么 wait 和 notify 方法要在同步块中调用？

在调用同步对象的wait()和notify()系列方法时，“当前线程”必须拥有该对象的同步锁，也就是说，wait()和notify()系列方法需要在同步块中使用，否则JVM会抛出类似如下的异常：

为什么wait和notify不在synchronized同步块的内部使用会抛出异常呢？这需要从wait()和notify()方法的原理说起。

wait()方法的原理：

首先，JVM会释放当前线程的对象锁监视器的Owner资格；其次，JVM会将当前线程移入监视器的WaitSet队列，而这些操作都和对象锁监视器是相关的。所以，wait()方法必须在synchronized同步块的内部调用。在当前线程执行wait()方法前，必须通过synchronized()方法成为对象锁的监视器的Owner。

notify()方法的原理：

JVM从对象锁的监视器的WaitSet队列移动一个线程到其EntryList队列，这些操作都与对象锁的监视器有关。所以，notify()方法也必须在synchronized同步块的内部调用。在执行notify()方法前，当前线程也必须通过synchronized()方法成为对象锁的监视器的Owner。

总结

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