Java多线程之线程协作

一、前言

　　上一节提到，如果有一个线程正在运行synchronized 方法，那么其他线程就无法再运行这个方法了。这就是简单的互斥处理。

　　假如我们现在想执行更加精确的控制，而不是单纯地等待其他线程运行终止，例如下面这样的控制。

　　● 如果空间为空则写入数据；如果非空则一直等待到变空为止

　　● 空间已为空时，“通知”正在等待的线程

　　此处是根据“空间是否为空”这个条件来执行线程控制的。Java 提供了用于执行线程控制的wait 方法、notify 方法和notifyAll 方法。wait 是让线程等待的方法，而notify 和notifyAll 是唤醒等待中的线程的方法。

二、等待队列——线程休息室

　　在学习wait、notify 和notifyAll 之前，我们先来学习一下等待队列。所有实例都拥有一个等待队列，它是在实例的wait方法执行后停止操作的线程的队列。打个比方来说，就是为每个实例准备的线程休息室。

　　在执行wait 方法后，线程便会暂停操作，进入等待队列这个休息室。除非发生下列某一情况，否则线程会一直在等待队列中休眠。当下列任意一种情况发生时，线程便会退出等待队列。

　　● 有其他线程的notify方法来唤醒线程

　　● 有其他线程的notifyAll方法来唤醒线程

　　● 有其他线程的interrupt方法来唤醒线程

　　● wait方法超时

　　下面以图配文依次谈谈wait、notify 和notifyAll。而关于interrupt 方法和wait 方法的超时，将会在后面的篇幅中谈谈。

三、wait 方法——将线程放入等待队列

　　wait（等待）方法会让线程进入等待队列。假设我们执行了下面这条语句。

　　obj.wait();

　　那么，当前线程便会暂停运行，并进入实例obj的等待队列中。这叫作“线程正在obj 上wait”。如果实例方法中有如下语句（1），由于其含义等同于（2），所以执行了wait() 的线程将会进入this 的等待队列中，这时可以说“线程正在this 上wait”。

　　wait();　　(1)

　　this.wait(); (2)

　　若要执行wait方法，线程必须持有锁（这是规则）。但如果线程进入等待队列，便会释放其实例的锁。整个操作过程如下图所示。

关于等待队列

　　等待队列是一个虚拟的概念。它既不是实例中的字段，也不是用于获取正在实例上等待的线程的列表的方法。

获取锁了的线程A执行wait方法：

线程A进入等待队列，释放锁：

线程B能够获取锁：

四、notify 方法——从等待队列中取出线程

　　notify（通知）方法会将等待队列中的一个线程取出。假设我们执行了下面这条语句。

　　obj.notify();

　　那么obj 的等待队列中的一个线程便会被选中和唤醒，然后就会退出等待队列。

　　整个操作过程如下所示。

获取锁了的线程B执行notify方法：

线程A退出等待队列，想要进入wait的下一个操作，但刚才执行notify方法的线程B任持有着锁

刚才执行notify的线程B释放了锁

退出等待队列的线程A获取锁，执行wait的下一步操作

　　同wait 方法一样，若要执行notify 方法，线程也必须持有要调用的实例的锁（这是规则）。

　　执行notify 后的线程状态：

　　notify 唤醒的线程并不会在执行notify 的一瞬间重新运行。因为在执行notify 的那一瞬间，执行notify 的线程还持有着锁，所以其他线程还无法获取这个实例的锁（如第二幅图所示）。

　　执行notify 后如何选择线程？

　　假如在执行notify 方法时，正在等待队列中等待的线程不止一个，对于“这时该如何来选择线程”这个问题规范中并没有作出规定。究竟是选择最先wait 的线程，还是随机选择，或者采用其他方法要取决于Java 平台运行环境。因此编写程序时需要注意，最好不要编写依赖于所选线程的程序。

五、notifyAll 方法——从等待队列中取出所有线程

　　notifyAll（通知大家）方法会将等待队列中的所有线程都取出来。例如，执行下面这条语句之后，在obj 实例的等待队列中休眠的所有线程都会被唤醒。

　　obj.notifyAll();

　　如果简单地在实例方法中写成下面（1）这样，那么由于其含义等同于（2），所以该语句所在方法的实例（this）的等待队列中所有线程都会退出等待队列。

　　notifyAll();　　(1)

　　this.notifyAll(); (2)

　　下面两幅图展示了notify 方法和notifyAll 方法的差异。notify 方法仅唤醒一个线程，而notifyAll 则唤醒所有线程，这是两者之间唯一的区别。

notify方法仅唤醒一个线程，并让该线程退出等待对列：

notifyAll方法唤醒所有线程，并让所有线程都退出等待队列

　　同wait 方法和notify 方法一样，notifyAll 方法也只能由持有要调用的实例的锁的线程调用。

　　刚被唤醒的线程会去获取其他线程在进入wait 状态时释放的锁。但现在锁是在谁的手中呢？对，就是执行notifyAll 的线程正持有着锁。因此，唤醒的线程虽然都退出了等待队列，但都在等待获取锁，处于阻塞状态。只有在执行notifyAll 的线程释放锁以后，其中一个幸运儿才能够实际运行。

　　那如果线程未持有锁会怎样呢？

　　如果未持有锁的线程调用wait、notify 或notifyAll，异常java.lang.IllegalMonitorStateException会被抛出。

　　该使用notify 方法还是notifyAll 方法呢？

　　notify 方法和notifyAll 方法非常相似，到底该使用哪一个呢？实际上，这很难选择。

　　由于notify 唤醒的线程较少，所以处理速度要比使用notifyAll 时快。

　　但使用notify 时，如果处理不好，程序便可能会停止。一般来说，使用notifyAll 时的代码要比使用notify 时的更为健壮。

　　除非开发人员完全理解代码的含义和范围，否则使用notifyAll 更为稳妥。使用notify时发生问题的示例将在后面探讨，详情可以关注我的博文。

六、wait、notify、notifyAll 是Object 类的方法

　　wait、notify 和notifyAll 都是java.lang.Object 类的方法，而不是Thread 类中固有的方法。

　　下面再来回顾一下wait、notify 和notifyAll 的操作。

　　● obj.wait()是将当前线程放入obj的等待队列中

　　● obj.notify()会从obj的等待队列中唤醒一个线程

　　● obj.notifyAll()会从obj的等待队列中唤醒所有线程

　　换句话说， wait、notify 和notifyAll 这三个方法与其说是针对线程的操作，倒不如说是针对实例的等待队列的操作。由于所有实例都有等待队列，所以wait、notify 和notifyAll也就成为了Object 类的方法。

　　wait、notify、notifyAll 也是Thread 类的方法：

　　wait、notify 和notifyAll 确实不是Thread 类中固有的方法。但由于Object 类是Java 中所有类的父类，所以也可以说wait、notify 和notifyAll 都是Thread 类的方法。关于wait、notify 和notifyAll 的用法，后面的篇幅中将会详细解说。

　　参考：图解Java多线程设计模式