Java中的等待唤醒机制—至少50%的工程师还没掌握！

时间:2019-12-14 浪人~ 人气:1

这是一篇走心的填坑笔记，自学Java的几年总是在不断学习新的技术，一路走来发现自己踩坑无数，而填上的坑却屈指可数。突然发现，有时候真的不是几年工作经验的问题，有些东西即使工作十年，没有用心去学习过也不过是一个10年大坑罢了（真实感受）。

刚开始接触多线程时，就知道有等待/唤醒这个东西，写过一个demo就再也没有看过了，至于它到底是个什么东西，或者说它能解决什么样的问题，估计大多数人和我一样都是模棱两可。这次笔者就尝试带你搞懂等待/唤醒机制，读完本文你将get到以下几点：

循环等待带来什么样的问题
用等待唤醒机制优化循环等待
等待唤醒机制中的被忽略的细节

一,循环等待问题

假设今天要发工资，强老板要去吃一顿好的，整个就餐流程可以分为以下几个步骤：

点餐
窗口等待出餐
就餐

  public static void main(String[] args) {
     // 是否还有包子
        AtomicBoolean hasBun = new AtomicBoolean();
        
        // 包子铺老板
        new Thread(() -> {
            try {
                // 一直循环查看是否还有包子
                while (true) {
                    if (hasBun.get()) {
                        System.out.println("老板：检查一下是否还剩下包子...");
                        Thread.sleep(3000);
                    } else {
                        System.out.println("老板：没有包子了, 马上开始制作...");
                        Thread.sleep(1000);
                        System.out.println("老板：包子出锅咯....");
                        hasBun.set(true);
                    }
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();


        new Thread(() -> {
            System.out.println("小强：我要买包子...");
            try {
                // 每隔一段时间询问是否完成
                while (!hasBun.get()) {
                    System.out.println("小强：包子咋还没做好呢~");
                    Thread.sleep(3000);
                }
                System.out.println("小强：终于吃上包子了....");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }

在上文代码中存在一个很大的问题，就是老板需要不断的去检查是否还有包子，而客户则需要隔一段时间去看催一下老板，这显然时不合理的，这就是典型的循环等待问题。

这种问题的代码中通常是如下这种模式：

   while (条件不满足) {
       Thread.sleep(3000);
   }
   doSomething();

对应到计算机中，则暴露了一个问题：不断通过轮询机制来检测条件是否成立，如果轮询时间过小则会浪费CPU资源，如果间隔过大，又导致不能及时获取想要的资源。

二，等待/唤醒机制

为了解决循环等待消耗CPU以及信息及时性问题，Java中提供了等待唤醒机制。通俗来讲就是由主动变为被动，当条件成立时，主动通知对应的线程，而不是让线程本身来询问。

2.1 基本概念

等待/唤醒机制，又叫等待通知（笔者更喜欢叫唤醒而非通知），是指线程A调用了对象O的wait()方法进入了等待状态，而另一个线程调用了O的notify()或者notifyAll()方法，线程A收到通知后从对象O的wait()方法返回，进而执行后续操作。

上诉过程是通过对象O，使得线程A和线程B之间进行通信, 在线程中调用了对象O的wait()方法后线程久进入了阻塞状态，而在其他线程中对象O调用notify()或notifyAll方法时，则会唤醒对应的阻塞线程。

2.2 基本API

等待/唤醒机制的相关方法时任意Java对象具备的，因为这些方法被定义在所有Java对象的超类Object中。

notify：通知一个在对象上等待的线程，使其从wait()方法返回，而返回的前提时该线程获取到对象的锁

notifyAll: 通知所有等待在该对象上的线程

wait: 调用此方法的线程进入阻塞等待状态，只有等待另外线程的通知或者被中断才会返回，调用wait方法会释放对象的锁

wait(long) : 等待超过一段时间没有被唤醒就超时自动返回，单位时毫秒。

2.3 用等待唤醒机制优化循环等待

public static void main(String[] args) {
   // 是否还有包子
        AtomicBoolean hasBun = new AtomicBoolean();
        // 锁对象
        Object lockObject = new Object();

        // 包子铺老板
        new Thread(() -> {
            try {
                while (true) {
                    synchronized (lockObject) {
                        if (hasBun.get()) {
                            System.out.println("老板：包子够卖了，打一把王者荣耀");
                            lockObject.wait(); 
                        } else {
                            System.out.println("老板：没有包子了, 马上开始制作...");
                            Thread.sleep(3000);
                            System.out.println("老板：包子出锅咯....");
                            hasBun.set(true);
                            // 通知等待的食客
                            lockObject.notifyAll();
                        }
                    }
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();


        new Thread(() -> {
            System.out.println("小强：我要买包子...");
            try {
                synchronized (lockObject) {
                    if (!hasBun.get()) {
                        System.out.println("小强：看一下有没有做好， 看公众号cruder有没有新文章");
                        lockObject.wait(); 
                    } else {
                        System.out.println("小强：包子终于做好了，我要吃光它们....");
                        hasBun.set(false);
                        lockObject.notifyAll();
                        System.out.println("小强：一口气把店里包子吃光了， 快快乐乐去板砖了~~");
                    }
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
 }

上述流程，减少了轮询检查的操作，并且线程调用wait()方法后，会释放锁，不会消耗CPU资源，进而提高了程序的性能。

三，等待唤醒机制的基本范式

等待、唤醒是线程间通信的手段之一，用来协调多个线程操作同一个数据源。实际应用中通常用来优化循环等待的问题，针对等待方和通知方，可以提炼出如下的经典范式。

需要注意的是，在等待方执行的逻辑中，一定要用while循环来判断等待条件，因为执行notify/notifyAll方法时只是让等待线程从wait方法返回，而非重新进入临界区

/**
 * 等待方执行的逻辑
 * 1. 获取对象的锁
 * 2. 检查条件，如果条件不满足，调用对象的wait方法，被通知后重新检查条件
 * 3. 条件满足则执行对应的逻辑
 */
synchronized(对象){
    while(条件不满足){
        对象.wait()
    }
    doSomething();
}
/**
 * ！！ 通知方执行的逻辑
 * 1. 获取对象的锁
 * 2. 改变条件
 * 3. 通知(所有)等待在对象上的线程
 */
synchronized(对象){
    条件改变
    对象.notify();
}

这个编程范式通常是针对典型的通知方和等待方，有时双方可能具有双重身份，即使等待方又是通知方，正如我们上文中的案例一样。

四，notify/notifyAll不释放锁

相信这个问题有半数工程师都不知道，当执行wait()方法，锁自动被释放；但执行完notify()方法后，锁不会释放，而是要执行notify()方法所在的synchronized代码块后才会释放。这一点很重要，也是很多工程师容易忽略的地方。

lockObject.notifyAll();
System.out.println("小强：一口气把店里包子吃光了， 快快乐乐去板砖了~~");

案例代码中，故意设置成先notifyAll，然后在打印；上文图中的结果也印证了了我们的描述，感兴趣的小伙伴可以动手执行一下案例代码哦。

五，等待、唤醒必须先获取锁

在等待、唤醒编程范式中的wait，notify，notifyAll方法往往不能直接调用，需要在获取锁之后的临界区执行

并且只能唤醒等待在同一把锁上的线程。

当线程调用wait方法时会被加入到一个等待队列，当执行notify时会唤醒队列中第一个等待线程(等待时间最长的线程)，而调用notifyAll时则会唤醒等待线程中所有的等待线程。

六，sleep不释放锁而wait 释放

在用等待唤醒机制优化循环等待的过程中，有一个重要的特征就是原本的sleep()方法用wait()方法取代，他们的最大的区别在于wait方法会释放锁，而sleep不会，除此之外，还有个重要的区别，sleep是Thread的方法，可以在任意地方执行；而wait是Object对象的方法，必须在synchronized代码块中执行。

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