全面理解執行緒間的通訊方式

• 2020 年 5 月 8 日
• 筆記
• JAVA, notify() notifyAll, wait, 多執行緒

因為存在對共享變數的操作，才有了討論執行緒的話題。在執行緒中存在這樣一種場景，一個執行緒操作了共享變數的值而另一個執行緒感知了此次操作，然後進行相應的操作。整個過程開始於一個執行緒，結束與另一個執行緒。前者我們可以稱作生產者，後者我們可以稱作消費者，因為有了前者的活動才出發後者邏輯的發生，這種隔離模式在功能實現方面具備了良好的伸縮性。等待/通知的java方法是任何對象都具備的，因為這些方法被定義在java的超類java.lang.Object上下圖展示了Object 類的所有方法：

等待、通知機制就是，執行緒A調用了對象O的wait()方法進入等待狀態，執行緒B 調用了對象O的notify()或者notifyAll() 喚醒處於對象O上等待的執行緒A，使執行緒A 從wait()方法處返回從而進行剩餘操作。上述兩個執行緒通過對象O來進行交互，而對象O上的wait()/notify()/notifyAll()就如同訊號一般控制著執行緒的操作。這種例子生活中隨處可見，例如商品入庫，如果倉庫中是滿的我們就無法將商品再放入倉庫，如果倉庫中沒有商品我們也無法從倉庫中取出商品，再舉一個日常發生在我們身邊的場景。現在網購越來越方便，我們與快遞之間有一個快遞小哥在關聯，快遞小哥將包裹放到快遞櫃，我們去快遞櫃領取快遞：

 1 /**
 2  * 快遞
 3  */
 4 public class Courier extends Thread {
 5     
 6     @SneakyThrows
 7     @Override
 8     public void run() {
 9 
10         synchronized (CourierCabinet.CABINET) {
11             while (true) {
12                 if (CourierCabinet.CABINET.size() == 10) {
13                     //歇一歇吧 快遞櫃沒地方了
14                     CourierCabinet.CABINET.wait();
15                 }
16                 CourierCabinet.CABINET.add("包裹");
17                 System.out.println("親愛的顧客您的快遞已入櫃，請及時來領取");
18                 CourierCabinet.CABINET.notify();
19                 Thread.sleep(100);
20 
21             }
22         }
23 
24     }
25 }

 1 /**
 2  * 收件人
 3  */
 4 public class Recipient extends Thread {
 5 
 6 
 7     @SneakyThrows
 8     @Override
 9     public void run() {
10 
11         while (true) {
12             synchronized (CourierCabinet.CABINET) {
13 
14                 if (CourierCabinet.CABINET.size() == 0) {
15                     // 快遞員還未將包裹入櫃 沒法領取等一等
16                     CourierCabinet.CABINET.wait();
17                 }
18 
19                 CourierCabinet.CABINET.remove("包裹");
20                 System.out.println("哈哈 領到了我的快遞...");
21                 CourierCabinet.CABINET.notify();
22                 Thread.sleep(100);
23             }
24         }
25     }
26 }

 1 **
 2  * 快遞櫃
 3  */
 4 public class CourierCabinet {
 5 
 6     /**
 7      * 快遞櫃容量
 8      */
 9     public static final List<String> CABINET = new ArrayList<>(10);
10 
11 
12     public static void main(String[] args) {
13 
14 
15         new Thread(new Courier()).start();
16 
17 
18         new Thread(new Recipient()).start();
19 
20 
21     }
22 
23 }

運行結果：

通過以上例子，可以總結出 使用對象的wait()/notify()/notifyAll()所要注意的點：

1. 調用 wait()/notify()/notifyAll() 方法的執行緒必須是持有該對象的鎖的執行緒
2. 調用wait()方法後執行緒由RUNNING狀態變為WAITING狀態，並將當前執行緒放置在該對象的等待隊列中，同時釋放擁有的鎖
3. 調用notify()和notifyAll()之後執行緒並不會立即從wait()方法處返回，而是需要等待調用notify()/notifyAll()的執行緒釋放鎖之後才會返回。
4. notify() 將等待隊列中的執行緒移動到同步隊列中去，notifyAll()將等待隊列中所有的執行緒移動到同步隊列中去，此時被移動的執行緒狀態由WAITING 轉為BLOCKED

關於執行緒同步、通知機制面試題

1：為什麼操作 wait() notify() notifyAll() 需要事先獲取鎖，

主要是為了防止死鎖了永久等待的發生，以上面的例子說明，收件人執行緒執行if(CABINET.size()==0)的時候滿足條件 由於沒有synchronize 加持，所以該執行緒並不一定會執行CABINET.wait() 可能被CPU切走了，執行緒進入了BLOCKED狀態。

此時快遞小哥執行緒獲取到了執行權，判斷if(CABINET.size==10)不滿足條件，然後執行CABINET.add(包裹操作)執行notify()因為收件人執行緒並沒有執行wait()，所以就可能處於一直等待中。就如同你給我打電話 我還沒有拿到電話你就已經打過了 此時我再拿到電話也不會收到你的電話了。

Wait()放到synchronize 中執行就是為了保證執行緒安全，如果一個執行緒想要從wait()處返回也需要獲取到該對象的鎖否則會出現IllegalMonitorStateException異常。

2：為什麼執行緒通訊的方法wait()notify()notifyAll()是定義在Object中而sleep()定義在執行緒類中？

主要因為java中的wait()notify()notifyAll()都是鎖級別的操作，操作這幾個方法的執行緒必須持有該對象的鎖，而鎖又是屬於對象的。每一個對象的對象頭中有幾位是標識鎖的狀態的，所以實際上鎖是屬於對象的並不是屬於執行緒的。如果這幾個方法定義在執行緒中會造成極大的不便，在實際的操作中我們會遇到一個執行緒獲取幾把鎖的情況，如果將鎖定義在執行緒中時間這種情況就不是那麼的方便了。

3：wait()方法是屬於對象的，那調用Thread.wait()會怎樣？

調用Thread.wait() 也就是說將Thread 當做鎖對象，持有Thread對象的鎖的執行緒在執行結束後會自動調用notify(),所以我們應該避免使用執行緒對象來作為鎖對象。

4：notifyAll() 會喚醒所有的執行緒同時去爭奪這把鎖，如果沒有獲取到鎖的對象該怎麼辦？

沒有搶到鎖的執行緒會再次進入WAITING狀態，進入對象的等待隊列中去，直至有其他執行緒再次調用notify()或者notify()All 或者調用該執行緒的中斷方法。