Java等待喚醒機制深入理解

昨天寫了關於多線程引發的並發問題及解決方案—鎖，然後咱們今天繼續…

一、並發分析

Java中有個概念，叫生產者與消費者。

假設生產者不停輪流生產蘋果和香蕉，其中蘋果的價格是10元/kg，香蕉的價格是5元/kg，消費者則是對生產的商品進行購買，顯然，這裡的生產者生產的商品和消費者消費的商品是同一個商品。
定義產品類，生產者類，消費者類，因為需要共用商品，採取的策略是主方法中建立產品類對象，並將其作為參數傳入生產者和消費者的建構函式中。

//產品類
class Product{
    String name;  //名字
    double price;  //價格
}

//生產者
class Producer extends Thread{
    
    Product  p ;    //產品
    
    public Producer(Product p) {
        this.p  = p ;
    } 
    
    @Override
    public void run() {
        int i = 0 ;
        while(true){
            if(i%2==0){
                 p.name = "蘋果";
                 p.price = 10;
             }else{
                 p.name="香蕉";
                 p.price = 5;
             }
            System.out.println("生產者生產出了："+ p.name+" 價格是："+ p.price);
            i++;           
        } 
      }
    }
}

//消費者
class Customer extends Thread{
    
    Product p;
    
    public  Customer(Product p) {
        this.p = p;
    }
        
    @Override
    public void run() {
        while(true){
                    System.out.println("消費者消費了"+p.name+" 價格："+ p.price);
        } 
    }
}

//測試類別
public class Demo5 {
    
    public static void main(String[] args) {
        Product p = new Product();  //產品
        //建立生產對象
        Producer producer = new Producer(p);
        //建立消費者
        Customer customer = new Customer(p);
        //調用start方法開啟線程
        producer.start();
        customer.start();
    } 
}

觀察代碼，我們會發現兩個問題

1.沒有生產出商品，消費者也來消費了

2.商品的價格發生了錯亂
瞭解線程以及其安全問題的話，這兩個問題並不難分析。

二、需求分析

顯然，我們需要生產者每生產一個就進入等待，喚醒消費者消費，消費者消費一個，消費完後進入等待，喚醒生產者繼續生產，這樣的話，必須要等待生產者徹底生產完畢，消費者才能進行商品的消費，且價格不會發生錯亂。java提供了wait()和notify()|notifyAll()（喚醒所有鎖對象為標識符的線程池中所有的線程）方法解決這個問題，即等待喚醒機制。

//產品類
class Product{
    String name;  //名字
    double price;  //價格
    boolean flag = false; //產品是否生產完畢的標識，預設情況是沒有生產完成。
}

//生產者
class Producer extends Thread{
    
    Product  p ;    //產品
    
    public Producer(Product p) {
        this.p  = p ;
    }
 
    @Override
    public void run() {
        int i = 0 ;
        while(true){
         synchronized (p) {
            if(p.flag==false){
                 if(i%2==0){
                     p.name = "蘋果";
                     p.price = 10;
                 }else{
                     p.name="香蕉";
                     p.price = 5;
                 }
                 System.out.println("生產者生產出了："+ p.name+" 價格是："+ p.price);
                 p.flag = true;
                 i++;
                 p.notifyAll(); //喚醒消費者去消費
            }else{
                //已經生產 完畢，等待消費者先去消費
                try {
                    p.wait();   //生產者等待
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }  
         }
        } 
    }
}

//消費者
class Customer extends Thread{
    
    Product p;
    
    public  Customer(Product p) {
        this.p = p;
    }
        
    @Override
    public void run() {
        while(true){
            synchronized (p) {
                if(p.flag==true){  //產品已經生產完畢
                    System.out.println("消費者消費了"+p.name+" 價格："+ p.price);
                    p.flag = false;
                    p.notifyAll(); // 喚醒生產者去生產
                }else{
                    //產品還沒有生產,應該 等待生產者先生產。
                    try {
                        p.wait(); //消費者也等待了...
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        } 
    }
}

//測試類別
public class Demo5 {
    
    public static void main(String[] args) {
        Product p = new Product();  //產品
        //建立生產對象
        Producer producer = new Producer(p);
        //建立消費者
        Customer customer = new Customer(p);
        //調用start方法開啟線程
        producer.start();
        customer.start();
    } 
}

程式碼分析：假設生產者拿到鎖對象，此時flag為false，生產者生產出蘋果對象，flag至為true，此時喚醒消費者消費，然而，在以鎖對象p為標識符的線程池中並沒有消費者，此時生產者繼續持有鎖對象，然後發現flag為true，執行wait()方法，此時生產者釋放鎖對象p，並進入以p為標識符的線程池中等待，此時消費者擷取鎖，flag為true，消費完畢喚醒以鎖對象p為線程池中的等待線程當中的其中一個線程（無法指定喚醒線程），此時生產者被喚醒，此時消費者假設還是持有cpu執行權，繼續迴圈，發現flag為false，進入wait()，釋放鎖，生產者擷取cpu執行權，開始生產….

三、wait()和notify()的使用注意點

1. wait方法與notify方法是屬於Object對象的。
理由：若不是Object對象，那麼調用者對象即鎖對象則必須是線程對象嗎？顯然不必，鎖對象是任意對象。
2. wait方法與notify方法必須要在同步代碼塊或者是同步函數中才能使用。
理由：如果不存在同步代碼塊和同步函數則沒有鎖對象這個概念，而這兩個方法必須由鎖對象調用。
3. wait方法與notify方法必需要由鎖對象調用。
理由：因為需要以鎖對象為標識符建立一個線程池，生產者與消費者必須用同一個鎖，不同的鎖會建立不同的線程池。且不用鎖對象調用是報錯的，要求就是以鎖對象調用，否則就會報錯。