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Java多執行緒學習（二）synchronized關鍵字（1）
Java多執行緒學習（二）synchronized關鍵字（2）
Java多執行緒學習（四）等待/通知（wait/notify）機制
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本節思維導圖：
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一 等待/通知機制介紹
1.1 不使用等待/通知機制
當兩個執行緒之間存在生產和消費者關係，也就是說第一個執行緒（生產者）做相應的操作然後第二個執行緒（消費者）感知到了變化又進行相應的操作。比如像下面的whie語句一樣，假設這個value值就是第一個執行緒操作的結果，doSomething()是第二個執行緒要做的事，當滿足條件value=desire後才執行doSomething()。
但是這裡有個問題就是：第二個語句不停過通過輪詢機制來檢測判斷條件是否成立。如果輪詢時間的間隔太小會浪費CPU資源，輪詢時間的間隔太大，就可能取不到自己想要的資料。所以這裡就需要我們今天講到的等待/通知（wait/notify）機制來解決這兩個矛盾。
while(value=desire){
doSomething();
}
複製程式碼1.2 什麼是等待/通知機制？
通俗來講：
等待/通知機制在我們生活中比比皆是，一個形象的例子就是廚師和服務員之間就存在等待/通知機制。
- 廚師做完一道菜的時間是不確定的，所以菜到服務員手中的時間是不確定的；
- 服務員就需要去“等待（wait）”；
- 廚師把菜做完之後，按一下鈴，這裡的按鈴就是“通知（nofity）”；
- 服務員聽到鈴聲之後就知道菜做好了，他可以去端菜了。
用專業術語講：
等待/通知機制，是指一個執行緒A呼叫了物件O的wait()方法進入等待狀態，而另一個執行緒B呼叫了物件O的notify()/notifyAll()方法，執行緒A收到通知後退出等待佇列，進入可執行狀態，進而執行後續操作。上訴兩個執行緒通過物件O來完成互動，而物件上的wait()方法和notify()/notifyAll()方法的關係就如同開關訊號一樣，用來完成等待方和通知方之間的互動工作。
1.3 等待/通知機制的相關方法
| 方法名稱 | 描述 |
|---|---|
| notify() | 隨機喚醒等待佇列中等待同一共享資源的 “一個執行緒”，並使該執行緒退出等待佇列，進入可執行狀態，也就是notify()方法僅通知“一個執行緒” |
| notifyAll() | 使所有正在等待佇列中等待同一共享資源的 “全部執行緒” 退出等待佇列，進入可執行狀態。此時，優先順序最高的那個執行緒最先執行，但也有可能是隨機執行，這取決於JVM虛擬機器的實現 |
| wait() | 使呼叫該方法的執行緒釋放共享資源鎖，然後從執行狀態退出，進入等待佇列，直到被再次喚醒 |
| wait(long) | 超時等待一段時間，這裡的引數時間是毫秒，也就是等待長達n毫秒，如果沒有通知就超時返回 |
| wait(long，int) | 對於超時時間更細力度的控制，可以達到納秒 |
二 等待/通知機制的實現
2.1 我的第一個等待/通知機制程式
MyList.java
public class MyList {
private static List<String> list = new ArrayList<String>();
public static void add() {
list.add("anyString");
}
public static int size() {
return list.size();
}
}
複製程式碼ThreadA.java
public class ThreadA extends Thread {
private Object lock;
public ThreadA(Object lock) {
super();
this.lock = lock;
}
@Override
public void run() {
try {
synchronized (lock) {
if (MyList.size() != 5) {
System.out.println("wait begin "
+ System.currentTimeMillis());
lock.wait();
System.out.println("wait end "
+ System.currentTimeMillis());
}
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
複製程式碼ThreadB.java
public class ThreadB extends Thread {
private Object lock;
public ThreadB(Object lock) {
super();
this.lock = lock;
}
@Override
public void run() {
try {
synchronized (lock) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
MyList.add();
if (MyList.size() == 5) {
lock.notify();
System.out.println("已發出通知！");
}
System.out.println("新增了" + (i + 1) + "個元素!");
Thread.sleep(1000);
}
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
複製程式碼Run.java
public class Run {
public static void main(String[] args) {
try {
Object lock = new Object();
ThreadA a = new ThreadA(lock);
a.start();
Thread.sleep(50);
ThreadB b = new ThreadB(lock);
b.start();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
複製程式碼執行結果：
synchronized關鍵字可以將任何一個Object物件作為同步物件來看待，而Java為每個Object都實現了等待/通知（wait/notify）機制的相關方法，它們必須用在synchronized關鍵字同步的Object的臨界區內。通過呼叫wait()方法可以使處於臨界區內的執行緒進入等待狀態，同時釋放被同步物件的鎖。而notify()方法可以喚醒一個因呼叫wait操作而處於阻塞狀態中的執行緒，使其進入就緒狀態。被重新喚醒的執行緒會檢視重新獲得臨界區的控制權也就是鎖，並繼續執行wait方法之後的程式碼。如果發出notify操作時沒有處於阻塞狀態中的執行緒，那麼該命令會被忽略。
如果我們這裡不通過等待/通知（wait/notify）機制實現，而是使用如下的while迴圈實現的話，我們上面也講過會有很大的弊端。
while(MyList.size() == 5){
doSomething();
}
複製程式碼2.2執行緒的基本狀態
上面幾章的學習中我們已經掌握了與執行緒有關的大部分API，這些API可以改變執行緒物件的狀態。如下圖所示：
-
新建(new)：新建立了一個執行緒物件。
-
可執行(runnable)：執行緒物件建立後，其他執行緒(比如main執行緒）呼叫了該物件的start()方法。該狀態的執行緒位於可執行執行緒池中，等待被執行緒排程選中，獲 取cpu的使用權。
-
執行(running)：可執行狀態(runnable)的執行緒獲得了cpu時間片（timeslice），執行程式程式碼。
-
阻塞(block)：阻塞狀態是指執行緒因為某種原因放棄了cpu使用權，也即讓出了cpu timeslice，暫時停止執行。直到執行緒進入可執行(runnable)狀態，才有 機會再次獲得cpu timeslice轉到執行(running)狀態。阻塞的情況分三種：
(一). 等待阻塞：執行(running)的執行緒執行o.wait()方法，JVM會把該執行緒放 入等待佇列(waitting queue)中。
(二). 同步阻塞：執行(running)的執行緒在獲取物件的同步鎖時，若該同步鎖 被別的執行緒佔用，則JVM會把該執行緒放入鎖池(lock pool)中。
(三). 其他阻塞: 執行(running)的執行緒執行Thread.sleep(long ms)或t.join()方法，或者發出了I/O請求時，JVM會把該執行緒置為阻塞狀態。當sleep()狀態超時join()等待執行緒終止或者超時、或者I/O處理完畢時，執行緒重新轉入可執行(runnable)狀態。
-
死亡(dead)：執行緒run()、main()方法執行結束，或者因異常退出了run()方法，則該執行緒結束生命週期。死亡的執行緒不可再次復生。
備註： 可以用早起坐地鐵來比喻這個過程：
還沒起床：sleeping
起床收拾好了，隨時可以坐地鐵出發：Runnable
等地鐵來：Waiting
地鐵來了，但要排隊上地鐵：I/O阻塞
上了地鐵，發現暫時沒座位：synchronized阻塞
地鐵上找到座位：Running
到達目的地：Dead
2.3 notify()鎖不釋放
當方法wait()被執行後，鎖自動被釋放，但執行玩notify()方法後，鎖不會自動釋放。必須執行完otify()方法所在的synchronized程式碼塊後才釋放。
下面我們通過程式碼驗證一下：
（完整程式碼：github.com/Snailclimb/…）
帶wait方法的synchronized程式碼塊
synchronized (lock) {
System.out.println("begin wait() ThreadName="
+ Thread.currentThread().getName());
lock.wait();
System.out.println(" end wait() ThreadName="
+ Thread.currentThread().getName());
}
複製程式碼帶notify方法的synchronized程式碼塊
synchronized (lock) {
System.out.println("begin notify() ThreadName="
+ Thread.currentThread().getName() + " time="
+ System.currentTimeMillis());
lock.notify();
Thread.sleep(5000);
System.out.println(" end notify() ThreadName="
+ Thread.currentThread().getName() + " time="
+ System.currentTimeMillis());
}
複製程式碼如果有三個同一個物件例項的執行緒a,b,c,a執行緒執行帶wait方法的synchronized程式碼塊然後bb執行緒執行帶notify方法的synchronized程式碼塊緊接著c執行帶notify方法的synchronized程式碼塊。
執行效果如下：
2.4 當interrupt方法遇到wait方法
當執行緒呈wait狀態時，對執行緒物件呼叫interrupt方法會出現InterrupedException異常。
Service.java
public class Service {
public void testMethod(Object lock) {
try {
synchronized (lock) {
System.out.println("begin wait()");
lock.wait();
System.out.println(" end wait()");
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
System.out.println("出現異常了，因為呈wait狀態的執行緒被interrupt了！");
}
}
}
複製程式碼ThreadA.java
public class ThreadA extends Thread {
private Object lock;
public ThreadA(Object lock) {
super();
this.lock = lock;
}
@Override
public void run() {
Service service = new Service();
service.testMethod(lock);
}
}
複製程式碼Test.java
public class Test {
public static void main(String[] args) {
try {
Object lock = new Object();
ThreadA a = new ThreadA(lock);
a.start();
Thread.sleep(5000);
a.interrupt();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
複製程式碼執行結果：
參考：
《Java多執行緒程式設計核心技術》
《Java併發程式設計的藝術》