求求你，別再用wait和notify了！

Condition 是 JDK 1.5 中提供的用來替代 wait 和 notify 的執行緒通訊方法，那麼一定會有人問：為什麼不能用 wait 和 notify 了？ 哥們我用的好好的。老弟別著急，聽我給你細說…

之所以推薦使用 Condition 而非 Object 中的 wait 和 notify 的原因有兩個：

  1. 使用 notify 在極端環境下會造成執行緒「假死」；
  2. Condition 性能更高。

接下來怎們就用程式碼和流程圖的方式來演示上述的兩種情況。

1.notify 執行緒「假死」

所謂的執行緒「假死」是指，在使用 notify 喚醒多個等待的執行緒時，卻意外的喚醒了一個沒有「準備好」的執行緒，從而導致整個程式進入了阻塞的狀態不能繼續執行。

以多執行緒編程中的經典案例生產者和消費者模型為例，我們先來演示一下執行緒「假死」的問題。

1.1 正常版本

在演示執行緒「假死」的問題之前，我們先使用 wait 和 notify 來實現一個簡單的生產者和消費者模型，為了讓程式碼更直觀，我這裡寫一個超級簡單的實現版本。我們先來創建一個工廠類，工廠類裡面包含兩個方法，一個是循環生產數據的（存入）方法，另一個是循環消費數據的（取出）方法，實現程式碼如下。

/**
 * 工廠類,消費者和生產者通過調用工廠類實現生產/消費
 */
class Factory {
    private int[] items = new int[1]; // 數據存儲容器(為了演示方便,設置容量最多存儲 1 個元素)
    private int size = 0;             // 實際存儲大小

    /**
     * 生產方法
     */
    public synchronized void put() throws InterruptedException {
        // 循環生產數據
        do {
            while (size == items.length) { // 注意不能是 if 判斷
                // 存儲的容量已經滿了,阻塞等待消費者消費之後喚醒
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 進入阻塞");
                this.wait();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被喚醒");
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 開始工作");
            items[0] = 1; // 為了方便演示,設置固定值
            size++;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 完成工作");
            // 當生產隊列有數據之後通知喚醒消費者
            this.notify();

        } while (true);
    }

    /**
     * 消費方法
     */
    public synchronized void take() throws InterruptedException {
        // 循環消費數據
        do {
            while (size == 0) {
                // 生產者沒有數據,阻塞等待
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 進入阻塞(消費者)");
                this.wait();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被喚醒(消費者)");
            }
            System.out.println("消費者工作~");
            size--;
            // 喚醒生產者可以添加生產了
            this.notify();
        } while (true);
    }
}

接下來我們來創建兩個執行緒，一個是生產者調用 put 方法，另一個是消費者調用 take 方法，實現程式碼如下：

public class NotifyDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 創建工廠類
        Factory factory = new Factory();

        // 生產者
        Thread producer = new Thread(() -> {
            try {
                factory.put();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "生產者");
        producer.start();

        // 消費者
        Thread consumer = new Thread(() -> {
            try {
                factory.take();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "消費者");
        consumer.start();
    }
}

執行結果如下：
image.png
從上述結果可以看出，生產者和消費者在循環交替的執行任務，場面非常和諧，是我們想要的正確結果。

1.2 執行緒「假死」版本

當只有一個生產者和一個消費者時，wait 和 notify 方法不會有任何問題，然而將生產者增加到兩個時就會出現執行緒「假死」的問題了，程式的實現程式碼如下：

public class NotifyDemo {
    public static void main(String[] args) {
		// 創建工廠方法（工廠類的程式碼不變，這裡不再複述）
        Factory factory = new Factory();

        // 生產者
        Thread producer = new Thread(() -> {
            try {
                factory.put();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "生產者");
        producer.start();

        // 生產者 2
        Thread producer2 = new Thread(() -> {
            try {
                factory.put();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "生產者2");
        producer2.start();
        
        // 消費者
        Thread consumer = new Thread(() -> {
            try {
                factory.take();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "消費者");
        consumer.start();
    }
}

程式執行結果如下：
image.png
從以上結果可以看出，當我們將生產者的數量增加到 2 個時，就會造成執行緒「假死」阻塞執行的問題，當生產者 2 被喚醒又被阻塞之後，整個程式就不能繼續執行了。

執行緒「假死」問題分析

我們先把以上程式的執行步驟標註一下，得到如下結果：
image.png
從上圖可以看出：當執行到第 ④ 步時，此時生產者為工作狀態，而生產者 2 和消費者為等待狀態，此時正確的做法應該是喚醒消費著進行消費，然後消費者消費完之後再喚醒生產者繼續工作；但此時生產者卻錯誤的喚醒了生產者 2，而生產者 2 因為隊列已經滿了，所以自身並不具備繼續執行的能力，因此就導致了整個程式的阻塞，流程圖如下所示：

image.png
正確執行流程應該是這樣的：
image.png

1.3 使用 Condition

為了解決執行緒的「假死」問題，我們可以使用 Condition 來嘗試實現一下，Condition 是 JUC（java.util.concurrent）包下的類，需要使用 Lock 鎖來創建，Condition 提供了 3 個重要的方法：

  • await：對應 wait 方法；
  • signal：對應 notify 方法；
  • signalAll： notifyAll 方法。

Condition 的使用和 wait/notify 類似，也是先獲得鎖然後在鎖中進行等待和喚醒操作，Condition 的基礎用法如下：

// 創建 Condition 對象
Lock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();
// 加鎖
lock.lock();
try {
    // 業務方法....
    
    // 1.進入等待狀態
    condition.await();

    // 2.喚醒操作
    condition.signal();
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
} finally {
    lock.unlock();
}

小知識：Lock的正確使用姿勢

切記 Lock 的 lock.lock() 方法不能放入 try 程式碼中，如果 lock 方法在 try 程式碼塊之內，可能由於其它方法拋出異常，導致在 finally 程式碼塊中， unlock 對未加鎖的對象解鎖，它會調用 AQS 的 tryRelease 方法（取決於具體實現類），拋出 IllegalMonitorStateException 異常。

回歸主題

回到本文的主題，我們如果使用 Condition 來實現執行緒的通訊就可以避免程式的「假死」情況，因為 Condition 可以創建多個等待集，以本文的生產者和消費者模型為例，我們可以使用兩個等待集，一個用做消費者的等待和喚醒，另一個用來喚醒生產者，這樣就不會出現生產者喚醒生產者的情況了（生產者只能喚醒消費者，消費者只能喚醒生產者）這樣整個流程就不會「假死」了，它的執行流程如下圖所示：
image.png
了解了它的基本流程之後，咱們來看具體的實現程式碼。

基於 Condition 的工廠實現程式碼如下：

class FactoryByCondition {
    private int[] items = new int[1]; // 數據存儲容器(為了演示方便,設置容量最多存儲 1 個元素)
    private int size = 0;             // 實際存儲大小
    // 創建 Condition 對象
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    // 生產者的 Condition 對象
    private Condition producerCondition = lock.newCondition();
    // 消費者的 Condition 對象
    private Condition consumerCondition = lock.newCondition();

    /**
     * 生產方法
     */
    public void put() throws InterruptedException {
        // 循環生產數據
        do {
            lock.lock();
            while (size == items.length) { // 注意不能是 if 判斷
                // 生產者進入等待
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 進入阻塞");
                producerCondition.await();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被喚醒");
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 開始工作");
            items[0] = 1; // 為了方便演示,設置固定值
            size++;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 完成工作");
            // 喚醒消費者
            consumerCondition.signal();
            try {
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        } while (true);
    }

    /**
     * 消費方法
     */
    public void take() throws InterruptedException {
        // 循環消費數據
        do {
            lock.lock();
            while (size == 0) {
                // 消費者阻塞等待
                consumerCondition.await();
            }
            System.out.println("消費者工作~");
            size--;
            // 喚醒生產者
            producerCondition.signal();
            try {
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        } while (true);
    }
}

兩個生產者和一個消費者的實現程式碼如下：

public class NotifyDemo {
    public static void main(String[] args) {
        FactoryByCondition factory = new FactoryByCondition();

        // 生產者
        Thread producer = new Thread(() -> {
            try {
                factory.put();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "生產者");
        producer.start();

        // 生產者 2
        Thread producer2 = new Thread(() -> {
            try {
                factory.put();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "生產者2");
        producer2.start();

        // 消費者
        Thread consumer = new Thread(() -> {
            try {
                factory.take();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "消費者");
        consumer.start();
    }
}

程式的執行結果如下圖所示：
image.png
從上述結果可以看出，當使用 Condition 時，生產者、消費者、生產者 2 會一直交替循環執行，執行結果符合我們的預期。

2.性能問題

在上面我們演示 notify 會造成執行緒的「假死」問題的時候，一定有朋友會想到，如果把 notify 換成 notifyAll 執行緒就不會「假死」了。

這樣做法確實可以解決執行緒「假死」的問題，但同時會到來新的性能問題，空說無憑，直接上程式碼展示。

以下是使用 wait 和 notifyAll 改進後的程式碼：

/**
 * 工廠類,消費者和生產者通過調用工廠類實現生產/消費功能.
 */
class Factory {
    private int[] items = new int[1];   // 數據存儲容器(為了演示方便,設置容量最多存儲 1 個元素)
    private int size = 0;               // 實際存儲大小

    /**
     * 生產方法
     * @throws InterruptedException
     */
    public synchronized void put() throws InterruptedException {
        // 循環生產數據
        do {
            while (size == items.length) { // 注意不能是 if 判斷
                // 存儲的容量已經滿了,阻塞等待消費者消費之後喚醒
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 進入阻塞");
                this.wait();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被喚醒");
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 開始工作");
            items[0] = 1; // 為了方便演示,設置固定值
            size++;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 完成工作");
            // 喚醒所有執行緒
            this.notifyAll();
        } while (true);
    }

    /**
     * 消費方法
     * @throws InterruptedException
     */
    public synchronized void take() throws InterruptedException {
        // 循環消費數據
        do {
            while (size == 0) {
                // 生產者沒有數據,阻塞等待
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 進入阻塞(消費者)");
                this.wait();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被喚醒(消費者)");
            }
            System.out.println("消費者工作~");
            size--;
            // 喚醒所有執行緒
            this.notifyAll();
        } while (true);
    }
}

依舊是兩個生產者加一個消費者，實現程式碼如下：

public static void main(String[] args) {
    Factory factory = new Factory();
    // 生產者
    Thread producer = new Thread(() -> {
        try {
            factory.put();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }, "生產者");
    producer.start();

    // 生產者 2
    Thread producer2 = new Thread(() -> {
        try {
            factory.put();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }, "生產者2");
    producer2.start();

    // 消費者
    Thread consumer = new Thread(() -> {
        try {
            factory.take();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }, "消費者");
    consumer.start();
}

執行的結果如下圖所示：
image.png
通過以上結果可以看出：當我們調用 notifyAll 時確實不會造成執行緒「假死」了，但會造成所有的生產者都被喚醒了，但因為待執行的任務只有一個，因此被喚醒的所有生產者中，只有一個會執行正確的工作，而另一個則是啥也不幹，然後又進入等待狀態，這就行為對於整個程式來說，無疑是多此一舉，只會增加執行緒調度的開銷，從而導致整個程式的性能下降。

反觀 Condition 的 await 和 signal 方法，即使有多個生產者，程式也只會喚醒一個有效的生產者進行工作，如下圖所示：
image.png
生產者和生產者 2 依次會被交替的喚醒進行工作，所以這樣執行時並沒有任何多餘的開銷，從而相比於 notifyAll 而言整個程式的性能會提升不少。

總結

本文我們通過程式碼和流程圖的方式演示了 wait 方法和 notify/notifyAll 方法的使用缺陷，它的缺陷主要有兩個，一個是在極端環境下使用 notify 會造成程式「假死」的情況，另一個就是使用 notifyAll 會造成性能下降的問題，因此在進行執行緒通訊時，強烈建議使用 Condition 類來實現。

PS：有人可能會問為什麼不用 Condition 的 signalAll 和 notifyAll 進行性能對比？而使用 signal 和 notifyAll 進行對比？我只想說，既然使用 signal 可以實現此功能，為什麼還要使用 signalAll 呢？這就好比在有暖氣的 25 度的房間里，穿一件短袖就可以了，為什麼還要穿一件棉襖呢？

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