Notify通知机制解析

淩亂°似流年 2022-04-24 13:16 215阅读 0赞

# Wait/Notify通知机制解析 #

## 前言 ##

我们知道，java的wait/notify的通知机制可以用来实现线程间通信。wait表示线程的等待，调用该方法会导致线程阻塞，直至另一线程调用notify或notifyAll方法才可另其继续执行。经典的生产者、消费者模式即是使用wait/notify机制得以完成。在这篇文章中，我们将深入解析这一机制，了解其背后的原理。

## 线程的状态 ##

在了解wait/notify机制前，先熟悉一下java线程的几个生命周期。分别为初始（NEW）、运行(RUNNABLE)、阻塞(BLOCKED)、等待(WAITING)、超时等待(TIMED\_WAITING)、终止(TERMINATED)等状态（位于java.lang.Thread.State枚举类中）。

以下是对这几个状态的简要说明，详细说明见该类注释。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>状态名称</th> 
   <th>说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>NEW</td> 
   <td>初始状态，线程被构建，但未调用start()方法</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>RUNNABLE</td> 
   <td>运行状态，调用start()方法后。在java线程中，将操作系统线程的就绪和运行统称运行状态</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>BLOCKED</td> 
   <td>阻塞状态，线程等待进入synchronized代码块或方法中，等待获取锁</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>WAITING</td> 
   <td>等待状态，线程可调用wait、join等操作使自己陷入等待状态，并等待其他线程做出特定操作（如notify或中断）</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>TIMED_WAITING</td> 
   <td>超时等待，线程调用sleep(timeout)、wait(timeout)等操作进入超时等待状态，超时后自行返回</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>TERMINATED</td> 
   <td>终止状态，线程运行结束</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

![img][]

对于以上线程间的状态及转化关系，我们需要知道

1.  WAITING(等待状态)和TIMED\_WAITING(超时等待)都会令线程进入等待状态，不同的是TIMED\_WAITING会在超时后自行返回，而WAITING则需要等待至条件改变。
2.  进入阻塞状态的唯一前提是在等待获取同步锁。java注释说的很明白，只有两种情况可以使线程进入阻塞状态：一是等待进入synchronized块或方法，另一个是在调用wait()方法后重新进入synchronized块或方法。下文会有详细解释。
3.  Lock类对于锁的实现不会令线程进入阻塞状态，Lock底层调用LockSupport.park()方法，使线程进入的是等待状态。

## wait/notify用例 ##

让我们先通过一个示例解析

wait()方法可以使线程进入等待状态，而notify()可以使等待的状态唤醒。这样的同步机制十分适合生产者、消费者模式：消费者消费某个资源，而生产者生产该资源。当该资源缺失时，消费者调用wait()方法进行自我阻塞，等待生产者的生产；生产者生产完毕后调用notify/notifyAll()唤醒消费者进行消费。

以下是代码示例，其中flag标志表示资源的有无。

public class ThreadTest {
    
        static final Object obj = new Object();  //对象锁
    
        private static boolean flag = false;
    
        public static void main(String[] args) throws Exception {
    
            Thread consume = new Thread(new Consume(), "Consume");
            Thread produce = new Thread(new Produce(), "Produce");
            consume.start();
            Thread.sleep(1000);
            produce.start();
    
            try {
                produce.join();
                consume.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    
        // 生产者线程
        static class Produce implements Runnable {
    
            @Override
            public void run() {
    
                synchronized (obj) {
                    System.out.println("进入生产者线程");
                    System.out.println("生产");
                    try {
                        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(2000);  //模拟生产过程
                        flag = true;
                        obj.notify();  //通知消费者
                        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1000);  //模拟其他耗时操作
                        System.out.println("退出生产者线程");
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }
    
        //消费者线程
        static class Consume implements Runnable {
    
            @Override
            public void run() {
                synchronized (obj) {
                    System.out.println("进入消费者线程");
                    System.out.println("wait flag 1:" + flag);
                    while (!flag) {  //判断条件是否满足，若不满足则等待
                        try {
                            System.out.println("还没生产，进入等待");
                            obj.wait();
                            System.out.println("结束等待");
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                    System.out.println("wait flag 2:" + flag);
                    System.out.println("消费");
                    System.out.println("退出消费者线程");
                }
    
            }
        }
    }

输出结果为：

> 进入消费者线程  
> wait flag 1:false  
> 还没生产，进入等待  
> 进入生产者线程  
> 生产  
> 退出生产者线程  
> 结束等待  
> wait flag 2:true  
> 消费  
> 退出消费者线程

理解了输出结果的顺序，也就明白了wait/notify的基本用法。有以下几点需要知道：

1.  在示例中没有体现但很重要的是，\*\*wait/notify方法的调用必须处在该对象的锁（Monitor）中，也即，在调用这些方法时首先需要获得该对象的锁。\*\*否则会抛出IllegalMonitorStateException异常。
2.  从输出结果来看，在生产者调用notify()后，消费者并没有立即被唤醒，而是等到生产者退出同步块后才唤醒执行。（这点其实也好理解，synchronized同步方法（块）同一时刻只允许一个线程在里面，生产者不退出，消费者也进不去）
3.  注意，消费者被唤醒后是从wait()方法（被阻塞的地方）后面执行，而不是重新从同步块开始。

## 深入了解 ##

这一节我们探讨wait/notify与线程状态之间的关系。深入了解线程的生命周期。

由前面线程的状态转化图可知，当调用wait()方法后，线程会进入WAITING(等待状态)，后续被notify()后，并没有立即被执行，而是进入等待获取锁的阻塞队列。

[![img][img 1]][img_img 1]

对于每个对象来说，都有自己的等待队列和阻塞队列。以前面的生产者、消费者为例，我们拿obj对象作为对象锁，配合图示。内部流程如下

1.  当线程A（消费者）调用wait()方法后，线程A让出锁，自己进入等待状态，同时加入锁对象的等待队列。
2.  线程B（生产者）获取锁后，调用notify方法通知锁对象的等待队列，使得线程A从等待队列进入阻塞队列。
3.  线程A进入阻塞队列后，直至线程B释放锁后，线程A竞争得到锁继续从wait()方法后执行。

[img]: https://user-gold-cdn.xitu.io/2019/3/21/1699bd8849485d59?imageView2/0/w/1280/h/960/format/webp/ignore-error/1
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[img_img 1]: https://link.juejin.im/?target=http%3A%2F%2Fimg.wthfeng.com%2Fimg%2Fposts%2Fjava%2Fthread%2Fjava-wait-notify.png