瘋狂Java學習筆記（65）---------線程協作

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線程間協作的兩種方式：wait、notify、notifyAll和Condition

 

在前面我們將了很多關於同步的問題，然而在現實中，需要線程之間的協作。比如說最經典的生產者-消費者模型：當隊列滿時，生產者需要等待隊列有空間才能繼續往裡面放入商品，而在等待的期間內，生產者必須釋放對臨界資源（即隊列）的佔用權。因為生產者如果不釋放對臨界資源的佔用權，那麼消費者就無法消費隊列中的商品，就不會讓隊列有空間，那麼生產者就會一直無限等待下去。因此，一般情況下，當隊列滿時，會讓生產者交出對臨界資源的佔用權，並進入掛起狀態。然後等待消費者消費了商品，然後消費者通知生產者隊列有空間了。同樣地，當隊列空時，消費者也必須等待，等待生產者通知它隊列中有商品了。這種互相通訊的過程就是線程間的協作。

　　今天我們就來探討一下Java中線程協作的最常見的兩種方式：利用Object.wait()、Object.notify()和使用Condition

　　以下是本文目錄大綱：

　　一.wait()、notify()和notifyAll()

　　二.Condition

　　三.生產者-消費者模型的實現

　　

 

一.wait()、notify()和notifyAll()

　　wait()、notify()和notifyAll()是Object類中的方法：

  

/** * Wakes up a single thread that is waiting on this object's  * monitor. If any threads are waiting on this object, one of them  * is chosen to be awakened. The choice is arbitrary and occurs at  * the discretion of the implementation. A thread waits on an object's  * monitor by calling one of the wait methods */<span style="color:#ff0000;"><strong>public final native void notify();</strong></span> /** * Wakes up all threads that are waiting on this object's monitor. A  * thread waits on an object's monitor by calling one of the  * wait methods. */<span style="color:#ff0000;"><strong>public final native void notifyAll();</strong></span> /** * Causes the current thread to wait until either another thread invokes the  * {@link java.lang.Object#notify()} method or the  * {@link java.lang.Object#notifyAll()} method for this object, or a  * specified amount of time has elapsed.  * <p> * The current thread must own this object's monitor.  */<span style="color:#ff0000;"><strong>public final native void wait(long timeout) throws InterruptedException;</strong></span>

 　　從這三個方法的文字描述可以知道以下幾點資訊：

 

　　1）wait()、notify()和notifyAll()方法是本地方法，並且為final方法，無法被重寫。

　　2）調用某個對象的wait()方法能讓當前線程阻塞，並且當前線程必須擁有此對象的monitor（即鎖）

　　3）調用某個對象的notify()方法能夠喚醒一個正在等待這個對象的monitor的線程，如果有多個線程都在等待這個對象的monitor，則只能喚醒其中一個線程；

　　4）調用notifyAll()方法能夠喚醒所有正在等待這個對象的monitor的線程；

 

　　有朋友可能會有疑問：為何這三個不是Thread類聲明中的方法，而是Object類中聲明的方法（當然由於Thread類繼承了Object類，所以Thread也可以調用者三個方法）？其實這個問題很簡單，由於每個對象都擁有monitor（即鎖），所以讓當前線程等待某個對象的鎖，當然應該通過這個對象來操作了。而不是用當前線程來操作，因為當前線程可能會等待多個線程的鎖，如果通過線程來操作，就非常複雜了。

　　上面已經提到，如果調用某個對象的wait()方法，當前線程必須擁有這個對象的monitor（即鎖），因此調用wait()方法必須在同步塊或者同步方法中進行（synchronized塊或者synchronized方法）。

　　調用某個對象的wait()方法，相當於讓當前線程交出此對象的monitor，然後進入等待狀態，等待後續再次獲得此對象的鎖（Thread類中的sleep方法使當前線程暫停執行一段時間，從而讓其他線程有機會繼續執行，但它並不釋放對象鎖）；

　　notify()方法能夠喚醒一個正在等待該對象的monitor的線程，當有多個線程都在等待該對象的monitor的話，則只能喚醒其中一個線程，具體喚醒哪個線程則不得而知。

　　同樣地，調用某個對象的notify()方法，當前線程也必須擁有這個對象的monitor，因此調用notify()方法必須在同步塊或者同步方法中進行（synchronized塊或者synchronized方法）。

　　nofityAll()方法能夠喚醒所有正在等待該對象的monitor的線程，這一點與notify()方法是不同的。

　　這裡要注意一點：notify()和notifyAll()方法只是喚醒等待該對象的monitor的線程，並不決定哪個線程能夠擷取到monitor。

　　舉個簡單的例子：假如有三個線程Thread1、Thread2和Thread3都在等待對象objectA的monitor，此時Thread4擁有對象objectA的monitor，當在Thread4中調用objectA.notify()方法之後，Thread1、Thread2和Thread3隻有一個能被喚醒。注意，被喚醒不等於立刻就擷取了objectA的monitor。假若在Thread4中調用objectA.notifyAll()方法，則Thread1、Thread2和Thread3三個線程都會被喚醒，至於哪個線程接下來能夠擷取到objectA的monitor就具體依賴於作業系統的調度了。

　　上面尤其要注意一點，一個線程被喚醒不代表立即擷取了對象的monitor，只有等調用完notify()或者notifyAll()並退出synchronized塊，釋放對象鎖後，其餘線程才可獲得鎖執行。

下面看一個例子就明白了：

public class Test {    public static Object object = new Object();    public static void main(String[] args) {        Thread1 thread1 = new Thread1();        Thread2 thread2 = new Thread2();                 thread1.start();                 try {            Thread.sleep(200);        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }                 thread2.start();    }          static class Thread1 extends Thread{        @Override        public void run() {            synchronized (object) {                try {                    object.wait();                } catch (InterruptedException e) {                }                System.out.println("線程"+Thread.currentThread().getName()+"擷取到了鎖");            }        }    }         static class Thread2 extends Thread{        @Override        public void run() {            synchronized (object) {                object.notify();                System.out.println("線程"+Thread.currentThread().getName()+"調用了object.notify()");            }            System.out.println("線程"+Thread.currentThread().getName()+"釋放了鎖");        }    }}

 

 　　無論運行多少次，運行結果必定是：

線程Thread-1調用了object.notify()線程Thread-1釋放了鎖線程Thread-0擷取到了鎖

二.Condition

　　Condition是在java 1.5中才出現的，它用來替代傳統的Object的wait()、notify()實現線程間的協作，相比使用Object的wait()、notify()，使用Condition1的await()、signal()這種方式實現線程間協作更加安全和高效。因此通常來說比較推薦使用Condition，在阻塞隊列那一篇博文中就講述到了，阻塞隊列實際上是使用了Condition來類比線程間協作。

• Condition是個介面，基本的方法就是await()和signal()方法；
• Condition依賴於Lock介面，產生一個Condition的基本代碼是lock.newCondition() 
•  調用Condition的await()和signal()方法，都必須在lock保護之內，就是說必須在lock.lock()和lock.unlock之間才可以使用

　　Conditon中的await()對應Object的wait()；

　　Condition中的signal()對應Object的notify()；

　　Condition中的signalAll()對應Object的notifyAll()。

三.生產者-消費者模型的實現

1.使用Object的wait()和notify()實現：

 

public class Test {    private int queueSize = 10;    private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<Integer>(queueSize);          public static void main(String[] args)  {        Test test = new Test();        Producer producer = test.new Producer();        Consumer consumer = test.new Consumer();                  producer.start();        consumer.start();    }          class Consumer extends Thread{                  @Override        public void run() {            consume();        }                  private void consume() {            while(true){                synchronized (queue) {                    while(queue.size() == 0){                        try {                            System.out.println("隊列空，等待資料");                            queue.wait();                        } catch (InterruptedException e) {                            e.printStackTrace();                            queue.notify();                        }                    }                    queue.poll();          //每次移走隊首元素                    queue.notify();                    System.out.println("從隊列取走一個元素，隊列剩餘"+queue.size()+"個元素");                }            }        }    }          class Producer extends Thread{                  @Override        public void run() {            produce();        }                  private void produce() {            while(true){                synchronized (queue) {                    while(queue.size() == queueSize){                        try {                            System.out.println("隊列滿，等待有空餘空間");                            queue.wait();                        } catch (InterruptedException e) {                            e.printStackTrace();                            queue.notify();                        }                    }                    queue.offer(1);        //每次插入一個元素                    queue.notify();                    System.out.println("向隊列取中插入一個元素，隊列剩餘空間："+(queueSize-queue.size()));                }            }        }    }}

 2.使用Condition實現

public class Test {    private int queueSize = 10;    private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<Integer>(queueSize);    private Lock lock = new ReentrantLock();    private Condition notFull = lock.newCondition();    private Condition notEmpty = lock.newCondition();         public static void main(String[] args)  {        Test test = new Test();        Producer producer = test.new Producer();        Consumer consumer = test.new Consumer();                  producer.start();        consumer.start();    }          class Consumer extends Thread{                  @Override        public void run() {            consume();        }                  private void consume() {            while(true){                lock.lock();                try {                    while(queue.size() == 0){                        try {                            System.out.println("隊列空，等待資料");                            notEmpty.await();                        } catch (InterruptedException e) {                            e.printStackTrace();                        }                    }                    queue.poll();                //每次移走隊首元素                    notFull.signal();                    System.out.println("從隊列取走一個元素，隊列剩餘"+queue.size()+"個元素");                } finally{                    lock.unlock();                }            }        }    }          class Producer extends Thread{                  @Override        public void run() {            produce();        }                  private void produce() {            while(true){                lock.lock();                try {                    while(queue.size() == queueSize){                        try {                            System.out.println("隊列滿，等待有空餘空間");                            notFull.await();                        } catch (InterruptedException e) {                            e.printStackTrace();                        }                    }                    queue.offer(1);        //每次插入一個元素                    notEmpty.signal();                    System.out.println("向隊列取中插入一個元素，隊列剩餘空間："+(queueSize-queue.size()));                } finally{                    lock.unlock();                }            }        }    }}

 

　　參考資料：

　　《Java編程思想》

　　http://blog.csdn.net/ns_code/article/details/17225469

　　http://blog.csdn.net/ghsau/article/details/7481142

 

       若有不正之處請多多諒解，並歡迎批評指正。

　本文借鑒於：

　　http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920385.html

 

 

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