并发和多线程(四)--wait、notify、notifyAll、sleep、join、yield使用详解

wait、notify、notifyAll

　　这三个方法都是属于Object的，Java中的类默认继承Object，所以在任何方法中都可以直接调用wait()，notifyAll()，notify()，static方法也一样，new一个对象再调用。这三个方法必须是在获取到monitor锁的前提下使用，也就是使用ReentrantLock这类锁是不行的，只能是synchronized关键字内部，否则会出现IllegalMonitorStateException异常。

1、wait：

　　作用就是进入阻塞状态，准确的说是Waiting状态，如果调用的wait(timeout)，进入Timed-Waiting状态，并且会释放monitor锁。

调用wait()有四种被唤醒方式：

　　1).notify

　　2).notifyAll

　　3).wait(timeout)

　　4).interrupt()

　　这几种方式我们都比较熟悉，无论你开发过程中有没有用过多线程，提一下interrupt()，因为无论是调用sleep、wait、join等进入阻塞状态下，都是可以通过抛出异常响应中断。

基本使用：证明wait()会释放monitor锁

public class ThreadClass {

    private Object object = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
        ThreadClass threadClass = new ThreadClass();
        Thread thread = new Thread(threadClass.new Thread1());
        Thread thread1= new Thread(threadClass.new Thread2());
        thread.start();
        Thread.sleep(100);
        thread1.start();
    }

    class Thread1 implements Runnable{
        @Override
        public void run() {
            synchronized (object) {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取到lock");
                    object.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "继续执行");
            }
        }
    }

    class Thread2 implements Runnable{
        @Override
        public void run() {
            synchronized (object) {
                object.notify();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "调用了notify");
            }
        }
    }
}

代码实现

结果：
Thread-0获取到lock
Thread-1调用了notify
Thread-0继续执行

　　从结果看，先让Thread-0执行，然后获取Object的monitor锁，然后调用wait进入Waiting状态，Thread-1执行了notify，所以证明wait()释放monitor锁，否则Thread-1无法进入同步块。Thread-0被唤醒，进入Runnable状态，继而获得CPU使用权，直到执行完成。

wait只释放当前monitor锁

public class ThreadClass {

    private Object object1 = new Object();
    private Object object2 = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
        ThreadClass threadClass = new ThreadClass();
        Thread thread = new Thread(threadClass.new Thread1());
        Thread thread1 = new Thread(threadClass.new Thread2());
        thread.start();
        Thread.sleep(1000);
        thread1.start();
    }

    class Thread1 implements Runnable{
        @Override
        public void run() {
            synchronized (object1) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取到object1 monitor lock");
                synchronized (object2) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取到object2 monitor lock");
                    try {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放object1 monitor lock");
                        object1.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }
    }

    class Thread2 implements Runnable{
        @Override
        public void run() {
            synchronized (object1) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取到object1 monitor lock");

                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "尝试获取到object2 monitor lock");
                synchronized (object2) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取到object2 monitor lock");
                }
            }
        }
    }
}

验证wait只释放当前对象的monitor

结果：
Thread-0获取到object1 monitor lock
Thread-0获取到object2 monitor lock
Thread-0释放object1 monitor lock
Thread-1获取到object1 monitor lock
Thread-1尝试获取到object2 monitor lock

代码执行流程：

　　①.Thread-0获取object1、object2的monitor锁，但是只释放object1的锁

　　②.Thread-1在Thread-0是否object1的锁之后，获取到object1的锁，但是无法获取object2的锁

所以证明，wait只释放当前对象的monitor。

wait()工作原理

原理解释：

入口集 Entry Set，等待集Wait Set

1、新启动的线程，会进入Entry Set去竞争monitor锁

2、其中一个线程得到monitor锁，进入红色区域，成为owner

3、此时有两个可能realise，如果调用wait()，进入Wait Set

4、直到被notify/notifyAll唤醒，进入最下面一层

5、此时和第二步一样都要去竞争获取锁，就是Blocked状态

6、程序执行结束，退出

2、notify、notifyAll

　　从上面的代码中看到notify可以唤醒Waiting状态下的Thread，进入Runnable状态，但不一定立刻获取monitor锁，首先要等待别的Thread释放monitor锁，然后通过CPU调度是否获取锁。

notify：通过jvm选择唤醒其中一个调用wait()进入Waiting状态下的线程。

notifyAll：唤醒所有调用wait()进入Waiting状态下的线程。

public class ThreadClass {

    private Object object = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
        ThreadClass threadClass = new ThreadClass();
        Thread thread = new Thread(threadClass.new Thread1());
        Thread thread1 = new Thread(threadClass.new Thread1());
        Thread thread2= new Thread(threadClass.new Thread2());
        thread.start();
        thread1.start();
        //休眠100ms保证notifyAll()后执行
        Thread.sleep(100);
        thread2.start();
    }

    class Thread1 implements Runnable{
        @Override
        public void run() {
            synchronized (object) {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取到lock");
                    object.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "继续执行");
            }
        }
    }

    class Thread2 implements Runnable{
        @Override
        public void run() {
            synchronized (object) {
                object.notifyAll();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "调用了notify");
            }
        }
    }
}

notifyAll代码测试

结果：
Thread-0获取到lock
Thread-1获取到lock
Thread-2调用了notify
Thread-1继续执行
Thread-0继续执行

代码执行流程：

①.Thread-0和Thread-1启动

②.Thread-0获取到lock，然后执行wait()释放锁

③.Thread-1先进入Blocked状态，等待Thread-0释放锁之后，执行代码，然后执行wait()

④.Thread-2启动，执行notifyAll()，将所有因为wait()进入等待的线程唤醒

⑤.Thread-0和Thread-1竞争monitor锁，然后Thread-1得到锁，执行完成，释放锁

⑥.Thread-0获得锁，执行完成，释放锁

　　所以证明notifyAll()能够唤醒所有调用wait()进入Waiting状态的线程，如果改成notify()，只会有一个线程继续执行。

总结：

1、wait()、notify()、notifyAll()都需要先获取monitor锁才能执行，否则抛出异常

2、notify只能获取一个调用wait()进入Waiting状态的线程，由jvm决定唤醒哪个，无法提前预知

3、notifyAll唤醒全部调用wait()进入Waiting状态的线程

4、wait()、notify()、notifyAll()都属于Object

思考题：为什么wait()需要在Synchronized内部使用，而sleep()不需要？

　　为了防止死锁、永久等待的发生，如果没有这个前提，Thread-0在执行代码的时候，如果线程上下文切换到Thread-1，Thread-1直接执行notify了，但是Thread-0还没执行wait()，然后切换回来Thread-0，执行wait()之后，就只能永久等待了。但是如果在Synchronized内部，如果没有释放锁，其他线程不能进入的，能够避免这种可能的发生。

　　而sleep只会休眠一段时间，不会出现永久等待的可能。

思考题：为什么wait()，notify()，notifyAll()定义在Object类中，而sleep()却定义在Thread类中？

　　因为wait()，notify()，notifyAll()是锁级别的操作，因为每个Java对象的对象头中都保存着锁的状态，所以锁是属于对象的。如果wait()属于Thread类，我们如果想要让一个线程拥有多个monitor锁，我想要灵活的操作是否是否某个锁，就几乎无法实现了。

思考题：wait()属于对象，能不能调用Thread.wait()，如果调用会怎么样？

　　可以通过Thread调用wait()，但是不建议。因为Thread类执行代码逻辑退出的时候，会唤醒所有处于waiting状态的线程，也就是notifyAll()的作用，这样就可能出现逻辑上的错误，所以不建议使用。

2、sleep

作用：在期望的时间内执行，其他的时候不占用CPU资源，不释放锁，直到timeout。

 sleep不释放锁(Synchronized、lock)：

public class ThreadClass implements Runnable{

    private final Lock lock = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
        ThreadClass threadClass = new ThreadClass();
        Thread thread1 = new Thread(threadClass);
        Thread thread2 = new Thread(threadClass);
        thread1.start();
        thread2.start();
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            lock.lock();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取到ReentrantLock");
            TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "休眠结束");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

}

sleep测试不释放lock

结果：
Thread-0获取到ReentrantLock
Thread-0休眠结束
Thread-1获取到ReentrantLock
Thread-1休眠结束

　　这个结果，需要你自己执行代码，才能更加直观，Thread-0休眠3s过程，Thread-1还是没有获取到锁，证明了sleep不释放lock相关锁，Synchronized的monitor锁，可以自己试验一下。

　　sleep的过程中，会响应interrupt，并且清除状态，这点和wait()，join()等其他阻塞相同。关于代码演示等详细内容，请参考：

并发和多线程(二)--创建线程和Interrupt的详细使用

面试题：sleep和wait的异同

相同点：

　　1、执行之后都会进入阻塞状态。

　　2、都会通过抛出异常响应interrupt，并且清除中断状态。

不同点：

　　1、wait需要在Synchronized内部获取到monitor锁后，才能执行，否则会抛出异常。sleep没有限制

　　2、wait会释放monitor锁，sleep不会释放锁，无论是monitor锁还是lock锁。

　　3、wait可以选择是否指定时间阻塞，sleep必须指定时间。

　　4、wait属于对象，而sleep属于Thread。

3、join

　　当新的线程join，需要等新线程执行完成，其他线程才能继续执行。例如：main函数中执行thread1.join()，就是main线程等待thread1执行完毕。

public class ThreadClass{

//    private final Lock lock = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
        ThreadClass threadClass = new ThreadClass();
        Thread1 thread1 = threadClass.new Thread1();
        Thread2 thread2 = threadClass.new Thread2();
        thread1.start();
        thread2.start();

        thread1.join();
        thread2.join();

        System.out.println("线程1和线程2执行完成，main函数继续执行");
    }

    class Thread1 extends Thread{
        @Override
        public void run() {
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("线程1执行完成");
            }
    }

    class Thread2 extends Thread{
        @Override
        public void run() {
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("线程2执行完成");
        }
    }
}

join()基本使用

结果：
线程2执行完成
线程1执行完成
线程1和线程2执行完成，main函数继续执行

　　从结果可以证明，main线程等待线程1和线程2执行完成，才继续执行的，因为这两个子线程都休眠了1s，结果还是先打印。

join中断：

public class ThreadClass{

    public static void main(String[] args){
        Thread currentThread = Thread.currentThread();

        Thread thread = new Thread(() -> {
            try {
                currentThread.interrupt();
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
                System.out.println("子线程sleep结束");
            } catch (InterruptedException e) {
                System.out.println("子线程被中断");
                e.printStackTrace();
            }
        });
        thread.start();
        System.out.println("等待子线程执行完毕");
        try {
            thread.join();
        } catch (InterruptedException e) {
//            thread.interrupt();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"被中断了");
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("子线程执行完成");
    }
}

join中断响应

结果：
等待子线程执行完毕
java.lang.InterruptedException
main被中断了
    at java.lang.Object.wait(Native Method)
子线程执行完成
    at java.lang.Thread.join(Thread.java:1245)
    at java.lang.Thread.join(Thread.java:1319)
    at com.diamondshine.Thread.ThreadClass.main(ThreadClass.java:33)
子线程sleep结束

　　当子线程thread执行join()，主线程main进入阻塞等待，join的中断和wait与sleep导致阻塞的中断是不同的，join中断子线程，必须中断主线程main，根据我们打印结果确实实现了主线程中断，但是存在一个问题，主线程响应中断继续执行到结束，但是我们发现子线程这时候还没有执行完成，子线程并没有中断。需要将前面注释的thread.interrupt();重新加上实现中断传递，就可以让子线程在sleep状态下响应中断，可以自己执行以下。

思考题：join期间线程的状态

public static void main(String[] args){
        Thread currentThread = Thread.currentThread();

        Thread thread = new Thread(() -> {
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
                System.out.println(currentThread.getState());
            } catch (InterruptedException e) {
                System.out.println("子线程被中断");
                e.printStackTrace();
            }
        });
        thread.start();
        System.out.println("等待子线程执行完毕");
        try {
            thread.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            thread.interrupt();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"被中断了");
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("子线程执行完成");
    }

join期间线程的状态

结果：
WAITING
子线程执行完成

　　currentThread是主线程main的线程引用，System.out.println(currentThread.getState());能够打印的时候，是子线程还没有执行完成，肯定也是join期间，根据结果，我们知道join期间线程的状态为waiting，而不是有些人理解的Blocked。或者通过debug将断点打在sleep下面，可以看到thread-0和main线程的状态

join的原理

　　join底层还是调用的wait，但是我们没有调用notify为什么，为什么线程会被唤醒？原因上面讲不建议使用Thread.wait()已经讲了，因为Thread.wait()会在执行结束退出的时候，自动进行wait的唤醒，这部分代码在native方法中实现。

自动wait唤醒C++源码如下：

join的替代写法

public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
    Thread currentThread = Thread.currentThread();

    Thread thread = new Thread(() -> {
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
            System.out.println(currentThread.getState());
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println("子线程被中断");
            e.printStackTrace();
        }
    });
    thread.start();
//        thread.join();
    synchronized (thread) {
        thread.wait();
    }
    System.out.println("子线程执行完成");
}

join的替代写法

　　join本身几乎可以等价于thread.wait()，由于wait需要持有synchronized的monitor锁才能执行，所以外层添加同步块，将thread本身作为对象锁，这样可以实现同样的效果。

PS：一般来说，要尽量避免join这类底层方法的使用，因为会增大程序出错的概率，同样的功能，更推荐CountDownLatch或者CyclicBarrier。

4、yield：

　　yield会释放CPU的使用权，但是还是处于Runnable状态，因为yield不会释放锁，也不会进入任何一种阻塞状态，只是把CPU使用权让给相同或者更高优先级的线程，但是它本身随时可能获得CPU使用权。但是存在一个问题，jvm不是一定遵循yield的功能，例如：CPU使用率很低，即使执行yield，可能还在运行，而且不同jvm也不一样。所以，日常开发使用的比较少。

PS：yield更多用于J.U.C中，如AQS，ConcurrentHashmap，StampedLock，FutureTask等。