Java 多线程同步问题的探究（四、协作，互斥下的协作——Java多线程协作（wait、notify、notifyAll））...

Java监视器支持两种线程：互斥和协作。

前面我们介绍了采用对象锁和重入锁来实现的互斥。这一篇中，我们来看一看线程的协作。

举个例子：有一家汉堡店举办吃汉堡比赛，决赛时有3个顾客来吃，3个厨师来做，一个服务员负责协调汉堡的数量。为了避免浪费，制作好的汉堡被放进一个能装有10个汉堡的长条状容器中，按照先进先出的原则取汉堡。如果容器被装满，则厨师停止做汉堡，如果顾客发现容器内的汉堡吃完了，就可以拍响容器上的闹铃，提醒厨师再做几个汉堡出来。此时服务员过来安抚顾客，让他等待。而一旦厨师的汉堡做出来，就会让服务员通知顾客，汉堡做好了，让顾客继续过来取汉堡。

这里，顾客其实就是我们所说的消费者，而厨师就是生产者。容器是决定厨师行为的监视器，而服务员则负责监视顾客的行为。

在JVM中，此种监视器被称为等待并唤醒监视器。
转载注明出处：http://x- spirit.iteye.com/、http: //www.blogjava.net/zhangwei217245/
在这种监视器中，一个已经持有该监视器的线程，可以通过调用监视对象的wait方法，暂停自身的执行，并释放监视器，自己进入一个等待区，直到监视器内的其他线程调用了监视对象的notify方法。当一个线程调用唤醒命令以后，它会持续持有监视器，直到它主动释放监视器。而这之后，等待线程会苏醒，其中的一个会重新获得监视器，判断条件状态，以便决定是否继续进入等待状态或者执行监视区域，或者退出。

请看下面的代码：

1. public class NotifyTest {
2. private String flag = "true";
3.
4. class NotifyThread extends Thread{
5. public NotifyThread(String name) {
6. super(name);
7. }
8. public void run() {
9. try {
10. sleep(3000);//推迟3秒钟通知
11. } catch (InterruptedException e) {
12. e.printStackTrace();
13. }
14.
15. flag = "false";
16. flag.notify();
17. }
18. };
19.
20. class WaitThread extends Thread {
21. public WaitThread(String name) {
22. super(name);
23. }
24.
25. public void run() {
26.
27. while (flag!="false") {
28. System.out.println(getName() + " begin waiting!");
29. long waitTime = System.currentTimeMillis();
30. try {
31. flag.wait();
32. } catch (InterruptedException e) {
33. e.printStackTrace();
34. }
35. waitTime = System.currentTimeMillis() - waitTime;
36. System.out.println("wait time :"+waitTime);
37. }
38. System.out.println(getName() + " end waiting!");
39.
40. }
41. }
42.
43. public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
44. System.out.println("Main Thread Run!");
45. NotifyTest test = new NotifyTest();
46. NotifyThread notifyThread =test.new NotifyThread("notify01");
47. WaitThread waitThread01 = test.new WaitThread("waiter01");
48. WaitThread waitThread02 = test.new WaitThread("waiter02");
49. WaitThread waitThread03 = test.new WaitThread("waiter03");
50. notifyThread.start();
51. waitThread01.start();
52. waitThread02.start();
53. waitThread03.start();
54. }
55.
56. }

转载注明出处：http://x- spirit.iteye.com/、http: //www.blogjava.net/zhangwei217245/
这段代码启动了三个简单的wait线程，当他们处于等待状态以后，试图由一个notify线程来唤醒。
转载注明出处：http://x- spirit.iteye.com/、http: //www.blogjava.net/zhangwei217245/
运行这段程序，你会发现，满屏的java.lang.IllegalMonitorStateException，根本不是你想要的结果。
转载注明出处：http://x- spirit.iteye.com/、http: //www.blogjava.net/zhangwei217245/
请注意以下几个事实：
1. 任何一个时刻，对象的控制权（monitor）只能被一个线程拥有。
2. 无论是执行对象的wait、notify还是notifyAll方法，必须保证当前运行的线程取得了该对象的控制权（monitor）。
3. 如果在没有控制权的线程里执行对象的以上三种方法，就会报java.lang.IllegalMonitorStateException异常。
4. JVM基于多线程，默认情况下不能保证运行时线程的时序性。

也就是说，当线程在调用某个对象的wait或者notify方法的时候，要先取得该对象的控制权，换句话说，就是进入这个对象的监视器。
转载注明出处：http://x- spirit.iteye.com/、http: //www.blogjava.net/zhangwei217245/
通过前面对同步的讨论，我们知道，要让一个线程进入某个对象的监视器，通常有三种方法：
转载注明出处：http://x- spirit.iteye.com/、http: //www.blogjava.net/zhangwei217245/
1： 执行对象的某个同步实例方法
2： 执行对象对应的同步静态方法
3： 执行对该对象加同步锁的同步块

显然，在上面的例程中，我们用第三种方法比较合适。

于是我们将上面的wait和notify方法调用包在同步块中。

1. synchronized (flag) {
2. flag = "false";
3. flag.notify();
4. }

转载注明出处：http://x- spirit.iteye.com/、http: //www.blogjava.net/zhangwei217245/
1. synchronized (flag) {
2. while (flag!="false") {
3. System.out.println(getName() + " begin waiting!");
4. long waitTime = System.currentTimeMillis();
5. try {
6. flag.wait();
7. } catch (InterruptedException e) {
8. e.printStackTrace();
9. }
10. waitTime = System.currentTimeMillis() - waitTime;
11. System.out.println("wait time :"+waitTime);
12. }
13. System.out.println(getName() + " end waiting!");
14. }


但是，运行这个程序，我们发现事与愿违。那个非法监视器异常又出现了。。。
转载注明出处：http://x- spirit.iteye.com/、http: //www.blogjava.net/zhangwei217245/
我们注意到，针对flag的同步块中，我们实际上已经更改了flag对对象的引用： flag="false";
转载注明出处：http://x- spirit.iteye.com/、http: //www.blogjava.net/zhangwei217245/
显然，这样一来，同步块也无能为力了，因为我们根本不是针对唯一的一个对象在进行同步。

我们不妨将flag封装到JavaBean或者数组中去，这样用JavaBean对象或者数组对象进行同步，就可以达到既能修改里面参数又不耽误同步的目的。

1. private String flag[] = {"true"};


1. synchronized (flag) {
2. flag[0] = "false";
3. flag.notify();
4. }


1. synchronized (flag) {
2. flag[0] = "false";
3. flag.notify();
4. }synchronized (flag) {
5. while (flag[0]!="false") {
6. System.out.println(getName() + " begin waiting!");
7. long waitTime = System.currentTimeMillis();
8. try {
9. flag.wait();
10.
11. } catch (InterruptedException e) {
12. e.printStackTrace();
13. }


运行这个程序，看不到异常了。但是仔细观察结果，貌似只有一个线程被唤醒。利用jconsole等工具查看线程状态，发现的确还是有两个线程被阻塞的。这是为啥呢？

程序中使用了flag.notify()方法。只能是随机的唤醒一个线程。我们可以改用flag.notifyAll()方法。这样，所有被阻塞的线程都会被唤醒了。

最终代码请读者自己修改，这里不再赘述。

好了，亲爱的读者们，让我们回到开篇提到的汉堡店大赛问题当中去，来看一看厨师、服务生和顾客是怎么协作进行这个比赛的。

首先我们构造故事中的三个次要对象：汉堡包、存放汉堡包的容器、服务生

public class Waiter {//服务生，这是个配角，不需要属性。
}
class Hamberg {
//汉堡包
private int id;//汉堡编号
private String cookerid;//厨师编号
public Hamberg(int id, String cookerid){
this.id = id;
this.cookerid = cookerid;
System.out.println(this.toString()+"was made!");
}

@Override
public String toString() {
return "#"+id+" by "+cookerid;
}

}
class HambergFifo {
//汉堡包容器
List<Hamberg> hambergs = new ArrayList<Hamberg>();//借助ArrayList来存放汉堡包
int maxSize = 10;//指定容器容量

//放入汉堡
public <T extends Hamberg> void push(T t) {
hambergs.add(t);
}

//取出汉堡
public Hamberg pop() {
Hamberg h = hambergs.get(0);
hambergs.remove(0);
return h;
}

//判断容器是否为空
public boolean isEmpty() {
return hambergs.isEmpty();
}

//判断容器内汉堡的个数
public int size() {
return hambergs.size();
}

//返回容器的最大容量
public int getMaxSize() {
return this.maxSize;
}
}
接下来我们构造厨师对象：

class Cooker implements Runnable {
//厨师要面对容器
HambergFifo pool;
//还要面对服务生
Waiter waiter;

public Cooker(Waiter waiter, HambergFifo hambergStack) {
this.pool = hambergStack;
this.waiter = waiter;
}
//制造汉堡
public void makeHamberg() {
//制造的个数
int madeCount = 0;
//因为容器满，被迫等待的次数
int fullFiredCount = 0;
try {

while (true) {
//制作汉堡前的准备工作
Thread.sleep(1000);
if (pool.size() < pool.getMaxSize()) {
synchronized (waiter) {
//容器未满，制作汉堡，并放入容器。
pool.push(new Hamberg(++madeCount,Thread.currentThread().getName()));
//说出容器内汉堡数量
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": There are "
+ pool.size() + " Hambergs in all");
//让服务生通知顾客，有汉堡可以吃了
waiter.notifyAll();
System.out.println("### Cooker: waiter.notifyAll() :"+
" Hi! Customers, we got some new Hambergs!");
}
} else {
synchronized (pool) {
if (fullFiredCount++ < 10) {
//发现容器满了，停止做汉堡的尝试。
System.out.println(Thread.currentThread().getName() +
": Hamberg Pool is Full, Stop making hamberg");
System.out.println("### Cooker: pool.wait()");
//汉堡容器的状况使厨师等待
pool.wait();
} else {
return;
}
}

}

//做完汉堡要进行收尾工作，为下一次的制作做准备。
Thread.sleep(1000);

}
} catch (Exception e) {
madeCount--;
e.printStackTrace();
}
}

public void run() {

makeHamberg();

}
}
接下来，我们构造顾客对象：

class Customer implements Runnable {
//顾客要面对服务生
Waiter waiter;
//也要面对汉堡包容器
HambergFifo pool;
//想要记下自己吃了多少汉堡
int ateCount = 0;
//吃每个汉堡的时间不尽相同
long sleeptime;
//用于产生随机数
Random r = new Random();

public Customer(Waiter waiter, HambergFifo pool) {
this.waiter = waiter;
this.pool = pool;
}

public void run() {

while (true) {

try {
//取汉堡
getHamberg();
//吃汉堡
eatHamberg();
} catch (Exception e) {
synchronized (waiter) {
System.out.println(e.getMessage());
//若取不到汉堡，要和服务生打交道
try {
System.out.println("### Customer: waiter.wait():"+
" Sorry, Sir, there is no hambergs left, please wait!");
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ ": OK, Waiting for new hambergs");
//服务生安抚顾客，让他等待。
waiter.wait();
continue;
} catch (InterruptedException ex) {
ex.printStackTrace();
}
}
}
}
}

private void eatHamberg() {
try {
//吃每个汉堡的时间不等
sleeptime = Math.abs(r.nextInt(3000)) * 5;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ ": I'm eating the hamberg for " + sleeptime + " milliseconds");

Thread.sleep(sleeptime);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}

private void getHamberg() throws Exception {
Hamberg hamberg = null;

synchronized (pool) {
try {
//在容器内取汉堡
hamberg = pool.pop();

ateCount++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ ": I Got " + ateCount + " Hamberg " + hamberg);
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ ": There are still " + pool.size() + " hambergs left");


} catch (Exception e) {
pool.notifyAll();
System.out.println("### Customer: pool.notifyAll()");
throw new Exception(Thread.currentThread().getName() +
": OH MY GOD!!!! No hambergs left, Waiter![Ring the bell besides the hamberg pool]");

}
}
}
}
转载注明出处：http://x- spirit.iteye.com/、http: //www.blogjava.net/zhangwei217245/
最后，我们构造汉堡店，让这个故事发生：
转载注明出处：http://x- spirit.iteye.com/、http: //www.blogjava.net/zhangwei217245/
public class HambergShop {

Waiter waiter = new Waiter();
HambergFifo hambergPool = new HambergFifo();
Customer c1 = new Customer(waiter, hambergPool);
Customer c2 = new Customer(waiter, hambergPool);
Customer c3 = new Customer(waiter, hambergPool);
Cooker cooker = new Cooker(waiter, hambergPool);

public static void main(String[] args) {
HambergShop hambergShop = new HambergShop();
Thread t1 = new Thread(hambergShop.c1, "Customer 1");
Thread t2 = new Thread(hambergShop.c2, "Customer 2");
Thread t3 = new Thread(hambergShop.c3, "Customer 3");
Thread t4 = new Thread(hambergShop.cooker, "Cooker 1");
Thread t5 = new Thread(hambergShop.cooker, "Cooker 2");
Thread t6 = new Thread(hambergShop.cooker, "Cooker 3");
t4.start();
t5.start();
t6.start();
try {
Thread.sleep(10000);
} catch (Exception e) {
}

t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}
运行这个程序吧，然后你会看到我们汉堡店的比赛进行的很好，只是不


知道那些顾客是不是会被撑到。。。