Java并发之等待/通知机制

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• 1 前言
  • 1.1 先来段代码放松一下
• 2 Object wait()/notify()
  • 2.1 一段入门代码
  • 2.2 问题三连击
    • a.为什么官方说wait() 要放在while里面？
    • b.为什么wait()必须在同步方法/代码块中调用？
    • c.为什么wait(), notify() 和 notifyAll()是定义在Object里面而不是在Thread里面？
  • 2.3 wait(long timeout)
• 3 Condition await()/signal()
  • 3.1 用Condition进行替换
  • 3.2 signal()方法后不建议添加逻辑
  • 3.3 boolean await(long time, TimeUnit unit)
• 4 区别
• 5 参考文档

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1 前言

本篇文章默认大家对synchronized跟ReentrantLock有一定了解。

1.1 先来段代码放松一下

下面一段简单的代码，主要是通过3个线程对count进行累计来进行模拟多线程的场景。

/**
 * zhongxianyao
 */
public class Test {
    private static final int N = 3;
    private int count = 0;

    public void doSomething() {
        // 实际业务中，这里可能是远程获取数据之类的耗时操作
        for (int i=0; i<1000_000; i++) {
            synchronized (this) {
                count ++;
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Test test = new Test();
        for (int i=0; i<N; i++) {
            Runnable runnable = () -> test.doSomething();
            new Thread(runnable).start();
        }

        Thread.sleep(1000);
        System.out.println(test.count);
    }

}

在多线程编程中，一旦调用start()后，什么时候真正分配CPU时间片运行是不确定的，运行多久也是不确定的，所以有时候可能根据经验，预估一下程序的运行时间，然后进行sleep，最后获取结果。但这种方式太low了，有没有那么一种方式，当程序获取到结果后进行通知呢？下面将引出今天要讲的等待/通知机制。

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2 Object wait()/notify()

2.1 一段入门代码

先来一段代码看一下wait()/notify()的基本用法

/**
 * zhongxianyao
 */
public class Test {

    private static final int N = 3;
    private int count = 0;
    private int finishCount = 0;

    public void doSomething() {
        for (int i=0; i<1000_000; i++) {
            synchronized (this) {
                count ++;
            }
        }
        synchronized (this) {
            finishCount ++;
            notify();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Test test = new Test();
        for (int i=0; i<N; i++) {
            Runnable runnable = () -> test.doSomething();
            new Thread(runnable).start();
        }

        synchronized (test) {
            try {
                while (test.finishCount != N) {
                    test.wait();
                }
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        System.out.println(test.count);
    }

}

结果输出3000000，结果是正确，是自己想要的。

2.2 问题三连击

a.为什么官方说wait() 要放在while里面？

接口描述如下

As in the one argument version, interrupts and spurious wakeups are possible, and this method should always be used in a loop:
     synchronized (obj) {
         while (<condition does not hold>)
             obj.wait();
         ... // Perform action appropriate to condition
     }

翻译一下：在一个论点版本中，中断跟虚假唤醒是可能，所以这个方法应始终放在一个循环中。

加上一句自己的解释：一般在项目中，一个线程不可能无缘无故等待，总是需要在某种条件下进行等待，而且其他线程唤醒这个线程的时候，可能用的是notifyAll()，数据被其他线程消费了，这里需要在判断一下是否满足特定的条件再继续运行。

b.为什么wait()必须在同步方法/代码块中调用？

解释1：wait()本身设计的逻辑就是在释放锁进行等待，如果没有获取锁，谈何释放。

解释2：通常在wait()的方法前面都会有while语句的判断，在这两条语句中会有时间间隔，可能会破坏程序，需要加上synchronized同步代码块来保证原子操作。

c.为什么wait(), notify() 和 notifyAll()是定义在Object里面而不是在Thread里面？

因为wait()等方法都是锁级别操作，再者Java提供的锁都是对象级别的而不是线程级别的，每个对象都有锁。如果wait()方法定义在Thread类中，线程正在等待的是哪个锁就不明显了。

2.3 wait(long timeout)

在上面的例子中，如果notify();那行代码删除，wait()改为wait(100)，如下，那么程序是否可以获取到正确的结果呢？

/**
 * zhongxianyao
 */
public class Test {

    private static final int N = 3;
    private int count = 0;
    private int finishCount = 0;

    public void doSomething() {
        for (int i=0; i<1000_000; i++) {
            synchronized (this) {
                count ++;
            }
        }
        synchronized (this) {
            finishCount ++;
            //notify();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Test test = new Test();
        for (int i=0; i<N; i++) {
            Runnable runnable = () -> test.doSomething();
            new Thread(runnable).start();
        }

        synchronized (test) {
            try {
                while (test.finishCount != N) {
                    test.wait(100);
                }
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        System.out.println(test.count);
    }

}

运行结果是3000000，是正确的结果，看了一下文档，发现这个字段跟直觉理解的不一样，直觉告诉我，这个是最长等多久，等太久了就InterruptedException，结果不是。这个方法设置的时间，是说等待多久就唤醒自己。

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3 Condition await()/signal()

3.1 用Condition进行替换

下面的代码，把前一个例子中的synchronized代码块，换成了lock()/unlock，notify()换成了condition.signal()，wait()换成了condition.await()。运行结果也是正确的。

/**
 * zhongxianyao
 */
public class Test {

    private static final int N = 3;
    private int count = 0;
    private int finishCount = 0;
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition condition = lock.newCondition();

    public void doSomething() {
        for (int i=0; i<1000_000; i++) {
            synchronized (this) {
                count ++;
            }
        }
        lock.lock();
        finishCount ++;
        if (finishCount == N) {
            condition.signal();
        }
        lock.unlock();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Test test = new Test();
        for (int i=0; i<N; i++) {
            Runnable runnable = () -> test.doSomething();
            new Thread(runnable).start();
        }

        test.lock.lock();
        try {
            test.condition.await();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            test.lock.unlock();
        }

        System.out.println(test.count);
    }

}

3.2 signal()方法后不建议添加逻辑

public class ConditionTest {

    public static void main(String[] args) {
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        Condition condition = lock.newCondition();

        new Thread(() -> {
            try {
                long time = System.currentTimeMillis();
                lock.lock();
                System.out.println("await start");
                condition.await();
                System.out.println("await end " + (System.currentTimeMillis() - time) + "ms");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }, "Thread-await").start();

        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        new Thread(() -> {
            try {
                lock.lock();
                System.out.println("signal start");
                TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
                condition.signal();
                System.out.println("signal end");
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
                System.out.println("signal unlock");
            }
        }, "Thread-signal").start();

    }
}

多次运行，结果都是一样的，如下：

await start
signal start
signal end
signal unlock
await end 5005ms

从运行结果可以看出，await()后，锁就释放了，但signal()后，锁不释放，一定要在unlock()之后，锁才释放，await()才会往下执行。

既然唤醒了其他线程，又不释放锁，可以调整唤醒的时机。一般在实际代码中，也是不建议signal()方法后添加逻辑，应该直接释放锁。

同理，上面的notify()也是在synchronized代码块结束后，wait()后面的语句才能真正执行。

3.3 boolean await(long time, TimeUnit unit)

把上面的condition.await()改为condition.await(1, TimeUnit.SECONDS),然后获取返回值，运行结果返回的是false。

这个时候，如果把TimeUnit.SECONDS.sleep(5)，condition.signal()这两行代码顺序调换一下，那么await的返回值就是true。

再看到官方文档对这个返回值的描述，如下

{@code false} if the waiting time detectably elapsed
before return from the method, else {@code true}

翻译过来，大致意思就是“如果等待时间可以在方法返回之前检测到返回false，否则返回true”。但实际测试结果却是await()被唤醒的时候，而不是方法返回的时候。

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4 区别

• Object wait() notify() 搭配synchronized使用
• Condition await() signal() 搭配Lock使用
• Object notify() 是随机唤醒一个
• Condition signal() 是唤醒第一个await()的线程
• Object wait()有虚假唤醒，而Condition await() 没有

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5 参考文档

• https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/lang/Object.html
• https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/concurrent/locks/Condition.html
• https://stackoverflow.com/questions/2779484/why-must-wait-always-be-in-synchronized-block