如何在 Java 中正确使用 wait, notify 和 notifyAll – 以生产者消费者模型为例

柔光的暖阳◎ 2022-07-16 11:38 91阅读 0赞

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wait, notify 和 notifyAll，这些在多线程中被经常用到的保留关键字，在实际开发的时候很多时候却并没有被大家重视。本文对这些关键字的使用进行了描述。

在 Java 中可以用 wait、notify 和 notifyAll 来实现线程间的通信。。举个例子，如果你的Java程序中有两个线程——即生产者和消费者，那么生产者可以通知消费者，让消费者开始消耗数据，因为队列缓冲区中有内容待消费（不为空）。相应的，消费者可以通知生产者可以开始生成更多的数据，因为当它消耗掉某些数据后缓冲区不再为满。

我们可以利用wait()来让一个线程在某些条件下暂停运行。例如，在生产者消费者模型中，生产者线程在缓冲区为满的时候，消费者在缓冲区为空的时候，都应该暂停运行。如果某些线程在等待某些条件触发，那当那些条件为真时，你可以用 notify 和 notifyAll 来通知那些等待中的线程重新开始运行。不同之处在于，notify 仅仅通知一个线程，并且我们不知道哪个线程会收到通知，然而 notifyAll 会通知所有等待中的线程。换言之，如果只有一个线程在等待一个信号灯，notify和notifyAll都会通知到这个线程。但如果多个线程在等待这个信号灯，那么notify只会通知到其中一个，而其它线程并不会收到任何通知，而notifyAll会唤醒所有等待中的线程。

在这篇文章中你将会学到如何使用 wait、notify 和 notifyAll 来实现线程间的通信，从而解决生产者消费者问题。如果你想要更深入地学习Java中的多线程同步问题，我强烈推荐阅读Brian Goetz所著的《[Java Concurrency in Practice][] | [Java 并发实践][Java]》，不读这本书你的 Java 多线程征程就不完整哦！这是我最向Java开发者推荐的书之一。

### 如何使用Wait ###

尽管关于wait和notify的概念很基础，它们也都是Object类的函数，但用它们来写代码却并不简单。如果你在面试中让应聘者来手写代码，用wait和notify解决生产者消费者问题，我几乎可以肯定他们中的大多数都会无所适从或者犯下一些错误，例如在错误的地方使用 synchronized 关键词，没有对正确的对象使用wait，或者没有遵循规范的代码方法。说实话，这个问题对于不常使用它们的程序员来说确实令人感觉比较头疼。

第一个问题就是，我们怎么在代码里使用wait()呢？因为wait()并不是Thread类下的函数，我们并不能使用Thread.call()。事实上很多Java程序员都喜欢这么写，因为它们习惯了使用Thread.sleep()，所以他们会试图使用wait() 来达成相同的目的，但很快他们就会发现这并不能顺利解决问题。正确的方法是对在多线程间共享的那个Object来使用wait。在生产者消费者问题中，这个共享的Object就是那个缓冲区队列。

第二个问题是，既然我们应该在synchronized的函数或是对象里调用wait，那哪个对象应该被synchronized呢？答案是，那个你希望上锁的对象就应该被synchronized，即那个在多个线程间被共享的对象。在生产者消费者问题中，应该被synchronized的就是那个缓冲区队列。（我觉得这里是英文原文有问题……本来那个句末就不应该是问号不然不太通……）

[![截图7][7]][7_7]

### 永远在循环（loop）里调用 wait 和 notify，不是在 If 语句 ###

现在你知道wait应该永远在被synchronized的背景下和那个被多线程共享的对象上调用，下一个一定要记住的问题就是，你应该永远在while循环，而不是if语句中调用wait。因为线程是在某些条件下等待的——在我们的例子里，即“如果缓冲区队列是满的话，那么生产者线程应该等待”，你可能直觉就会写一个if语句。但if语句存在一些微妙的小问题，导致即使条件没被满足，你的线程你也有可能被错误地唤醒。所以如果你不在线程被唤醒后再次使用while循环检查唤醒条件是否被满足，你的程序就有可能会出错——例如在缓冲区为满的时候生产者继续生成数据，或者缓冲区为空的时候消费者开始小号数据。所以记住，永远在while循环而不是if语句中使用wait！我会推荐阅读《[Effective Java][]》，这是关于如何正确使用wait和notify的最好的参考资料。

基于以上认知，下面这个是使用wait和notify函数的规范代码模板：

// The standard idiom for calling the wait method in Java 
    synchronized(sharedObject) { 
        while(condition) { 
        sharedObject.wait();
            // (Releases lock, and reacquires on wakeup) 
        }
        // do action based upon condition e.g. take or put into queue 
    }

就像我之前说的一样，在while循环里使用wait的目的，是在线程被唤醒的前后都持续检查条件是否被满足。如果条件并未改变，wait被调用之前notify的唤醒通知就来了，那么这个线程并不能保证被唤醒，有可能会导致死锁问题。

### Java wait(), notify(), notifyAll() 范例 ###

下面我们提供一个使用wait和notify的范例程序。在这个程序里，我们使用了上文所述的一些代码规范。我们有两个线程，分别名为PRODUCER（生产者）和CONSUMER（消费者），他们分别继承了了Producer和Consumer类，而Producer和Consumer都继承了Thread类。Producer和Consumer想要实现的代码逻辑都在run()函数内。Main线程开始了生产者和消费者线程，并声明了一个LinkedList作为缓冲区队列（在Java中，LinkedList实现了队列的接口）。生产者在无限循环中持续往LinkedList里插入随机整数直到LinkedList满。我们在while(queue.size == maxSize)循环语句中检查这个条件。请注意到我们在做这个检查条件之前已经在队列对象上使用了synchronized关键词，因而其它线程不能在我们检查条件时改变这个队列。如果队列满了，那么PRODUCER线程会在CONSUMER线程消耗掉队列里的任意一个整数，并用notify来通知PRODUCER线程之前持续等待。在我们的例子中，wait和notify都是使用在同一个共享对象上的。

package com.test;
    
    import java.util.LinkedList;
    import java.util.Queue;
    import java.util.Random;
    
    
    /**
     * Simple Java program to demonstrate How to use wait, notify and notifyAll() 
     * method in Java by solving producer consumer problem.
     *
     * @author Javin Paul 
     */
    public class ProducerConsumerInJava { 
        public static void main(String args[]) { 
            System.out.println("How to use wait and notify method in Java");
            System.out.println("Solving Producer Consumper Problem");
            Queue<Integer> buffer = new LinkedList<Integer>(); 
            int maxSize = 10;
            Thread producer = new Producer(buffer, maxSize, "PRODUCER");
            Thread consumer = new Consumer(buffer, maxSize, "CONSUMER");
            producer.start(); consumer.start(); } 
    }
    /**
     * Producer Thread will keep producing values for Consumer 
     * to consumer. It will use wait() method when Queue is full 
     * and use notify() method to send notification to Consumer 
     * Thread. 
     *
     */
    class Producer extends Thread{
        private Queue<Integer> queue; 
        private int maxSize; 
        public Producer(Queue<Integer> queue, int maxSize, String name){ 
            super(name);
            this.queue = queue;
            this.maxSize = maxSize; 
        }
        @Override
        public void run(){
            while(true){
                synchronized(queue) { 
                    while(queue.size() == maxSize) { 
                        try{ 
                            System.out .println("Queue is full, " + "Producer thread waiting for " + "consumer to take something from queue");
                            queue.wait();
                        }catch(Exception ex) { 
                            ex.printStackTrace(); } 
                    }
                    Random random = new Random(); 
                    int i = random.nextInt(); 
                    System.out.println("Producing value : " + i); queue.add(i); queue.notifyAll(); 
                }
            }
        }
    }
    /**
     * Consumer Thread will consumer values form shared queue. 
     * It will also use wait() method to wait if queue is 
     * empty. It will also use notify method to send 
     * notification to producer thread after consuming values 
     * from queue. 
     *
     */
    class Consumer extends Thread { 
        private Queue<Integer> queue; 
        private int maxSize; 
        public Consumer(Queue<Integer> queue, int maxSize, String name){ 
            super(name);
            this.queue = queue; 
            this.maxSize = maxSize; 
        }
        @Override
        public void run() { 
            while(true) { 
                synchronized(queue) { 
                    while(queue.isEmpty()) { 
                        System.out.println("Queue is empty," + "Consumer thread is waiting" + " for producer thread to put something in queue");
                        try{ 
                            queue.wait();
                        }catch(Exception ex) { 
                            ex.printStackTrace();
                        }
                    }
                    System.out.println("Consuming value : " + queue.remove()); queue.notifyAll(); 
                }
            }
        }
    }

[![截图5][5]][5_5]

为了更好地理解这个程序，我建议你在debug模式里跑这个程序。一旦你在debug模式下启动程序，它会停止在PRODUCER或者CONSUMER线程上，取决于哪个线程占据了CPU。因为两个线程都有wait()的条件，它们一定会停止，然后你就可以跑这个程序然后看发生什么了（很有可能它就会输出我们以上展示的内容）。你也可以使用Eclipse里的Step into和Step over按钮来更好地理解多线程间发生的事情。

### 本文重点： ###

1. 你可以使用wait和notify函数来实现线程间通信。你可以用它们来实现多线程（>3）之间的通信。

2. 永远在synchronized的函数或对象里使用wait、notify和notifyAll，不然Java虚拟机会生成 IllegalMonitorStateException。

3. 永远在while循环里而不是if语句下使用wait。这样，循环会在线程睡眠前后都检查wait的条件，并在条件实际上并未改变的情况下处理唤醒通知。

4. 永远在多线程间共享的对象（在生产者消费者模型里即缓冲区队列）上使用wait。

5. 基于前文提及的理由，更倾向用 notifyAll()，而不是 notify()。

[![截图6][6]][6_6]

这是关于Java里如何使用wait, notify和notifyAll的所有重点啦。你应该只在你知道自己要做什么的情况下使用这些函数，不然Java里还有很多其它的用来解决同步问题的方案。例如，如果你想使用生产者消费者模型的话，你也可以使用BlockingQueue，它会帮你处理所有的线程安全问题和流程控制。如果你想要某一个线程等待另一个线程做出反馈再继续运行，你也可以使用[CycliBarrier或者CountDownLatch][CycliBarrier_CountDownLatch]。如果你只是想保护某一个资源的话，你也可以使用Semaphore。

原文链接：  [javarevisited][]  翻译：  [ImportNew.com ][ImportNew] \-  [伯乐在线翻译组][Link 1]  
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[Java Concurrency in Practice]: http://www.amazon.com/gp/product/0321349601/ref=as_li_qf_sp_asin_il_tl?ie=UTF8&tag=job0ae-20&linkCode=as2&camp=1789&creative=9325&creativeASIN=0321349601
[Java]: http://www.amazon.cn/gp/product/B0077K9XHW/ref=as_li_qf_sp_asin_il_tl?ie=UTF8&camp=536&creative=3200&creativeASIN=B0077K9XHW&linkCode=as2&tag=vastwork-23
[7]: http://ww1.sinaimg.cn/mw690/b254dc71gw1euqp385uq9j208c06bt8r.jpg
[7_7]: /images/20220716/7ffc707b24c8492e8c6bb38309fcb3bf.png
[Effective Java]: http://www.amazon.cn/gp/product/B001PTGR52/ref=as_li_qf_sp_asin_il_tl?ie=UTF8&camp=536&creative=3200&creativeASIN=B001PTGR52&linkCode=as2&tag=vastwork-23
[5]: http://ww1.sinaimg.cn/mw690/b254dc71gw1euqp38jxh5j20ia0ij0y7.jpg
[5_5]: /images/20220716/419ecbf34a2f4101bc05d7517c99215d.png
[6]: http://ww3.sinaimg.cn/mw690/b254dc71gw1euqp391nfuj20bc08mglz.jpg
[6_6]: /images/20220716/207bb5734970455997ce75ba2ab0fee2.png
[CycliBarrier_CountDownLatch]: http://java67.blogspot.sg/2015/06/how-to-use-cyclicbarrier-in-java.html