线程间的通信

一 概述

线程开始运行，拥有自己的栈空间，就如同一个脚本一样，按照既定的代码一步一步地执行，直到终止。但是，每个运行中的线程，如果仅仅是孤立地运行，那么没有一点儿价值，或者说价值很少，如果多个线程能够相互配合完成工作，这将会带来巨大的价值。任意一个对象都拥有自己的监视器，当这个对象由同步块或者这个对象的同步方法调用时，执行方法的线程必须先获取到该对象的监视器才能进入同步块或者同步方法，而没有获取到监视器（执行该方法）的线程将会被阻塞在同步块和同步方法的入口处，进入BLOCKED状态。

二 等待 / 通知机制 

一个线程修改了一个对象的值，而另一个线程感知到了变化，然后进行相应的操作，整个过程开始于一个线程，而最终执行又是另一个线程。前者是生产者，后者就是消费者，这种模式隔离了“做什么”（what）和“怎么做”（How），在功能层面上实现了解耦，体系结构上具备了良好的伸缩性，但是在Java语言中如何实现类似的功能呢？

等待/通知的相关方法是任意Java对象都具备的，因为这些方法被定义在所有对象的超类java.lang.Object上，方法和描述如表4-2所示。

 

等待/通知机制，是指一个线程A调用了对象O的wait()方法进入等待状态，而另一个线程B调用了对象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。上述两个线程通过对象O来完成交互，而对象上的wait()和notify/notifyAll()的关系就如同开关信号一样，用来完成等待方和通知方之间的交互工作。 

WaitNotify.java

package lianxi;

public class WaitNotify {
	static boolean flag = true;
	static Object lock = new Object();

	public static void main(String[] args) throws Exception {
		Thread waitThread = new Thread(new Wait(), "WaitThread");
		waitThread.start();
		TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
		Thread notifyThread = new Thread(new Notify(), "NotifyThread");
		notifyThread.start();
	}

	static class Wait implements Runnable {
		public void run() {
			// 加锁，拥有lock的Monitor
			synchronized (lock) {
			// 当条件不满足时，继续wait，同时释放了lock的锁
			while (flag) {
			try {
				System.out.println(Thread.currentThread() + " flag is true. wait
				@ " + new SimpleDateFormat("HH:mm:ss").format(new Date()));
				lock.wait();
			} catch (InterruptedException e) {
			}
			}
			// 条件满足时，完成工作
			System.out.println(Thread.currentThread() + " flag is false. running
			@ " + new SimpleDateFormat("HH:mm:ss").format(new Date()));
			}
}
	}

	static class Notify implements Runnable {
		public void run() {
			// 加锁，拥有lock的Monitor
			synchronized (lock) {
				// 获取lock的锁，然后进行通知，通知时不会释放lock的锁，
				// 直到当前线程释放了lock后，WaitThread才能从wait方法中返回
				System.out.println(Thread.currentThread() + " hold lock. notify @ " +
				new SimpleDateFormat("HH:mm:ss").format(new Date()));
				lock.notifyAll();
				flag = false;
				SleepUtils.second(5);
			}
			// 再次加锁
			synchronized (lock) {
			System.out.println(Thread.currentThread() + " hold lock again. sleep
			@ " + new SimpleDateFormat("HH:mm:ss").format(new Date()));
			SleepUtils.second(5);
			}
			}
	}
}

输出如下（输出内容可能不同，主要区别在时间上）。

Thread[WaitThread,5,main] flag is true. wait @ 22:23:03
Thread[NotifyThread,5,main] hold lock. notify @ 22:23:04
Thread[NotifyThread,5,main] hold lock again. sleep @ 22:23:09
Thread[WaitThread,5,main] flag is false. running @ 22:23:14

上述第3行和第4行输出的顺序可能会互换，而上述例子主要说明了调用wait()、notify()以及notifyAll()时需要注意的细节，如下。

1）使用wait()、notify()和notifyAll()时需要先对调用对象加锁。
2）调用wait()方法后，线程状态由RUNNING变为WAITING，并将当前线程放置到对象的等待队列。
3）notify()或notifyAll()方法调用后，等待线程依旧不会从wait()返回，需要调用notify()或notifAll()的线程释放锁之后，等待线程才有机会从wait()返回。
4）notify()方法将等待队列中的一个等待线程从等待队列中移到同步队列中，而notifyAll()方法则是将等待队列中所有的线程全部移到同步队列，被移动的线程状态由WAITING变为BLOCKED。
5）从wait()方法返回的前提是获得了调用对象的锁。

从上述细节中可以看到，等待/通知机制依托于同步机制，其目的就是确保等待线程从wait()方法返回时能够感知到通知线程对变量做出的修改。 

在图4-3中，WaitThread首先获取了对象的锁，然后调用对象的wait()方法，从而放弃了锁并进入了对象的等待队列WaitQueue中，进入等待状态。由于WaitThread释放了对象的锁，NotifyThread随后获取了对象的锁，并调用对象的notify()方法，将WaitThread从WaitQueue移到SynchronizedQueue中，此时WaitThread的状态变为阻塞状态。NotifyThread释放了锁之后，WaitThread再次获取到锁并从wait()方法返回继续执行。 

三  等待 / 通知的经典范式

从4.3.2节中的WaitNotify示例中可以提炼出等待/通知的经典范式，该范式分为两部分，分别针对等待方（消费者）和通知方（生产者）。

等待方遵循如下原则。
1）获取对象的锁。
2）如果条件不满足，那么调用对象的wait()方法，被通知后仍要检查条件。
3）条件满足则执行对应的逻辑。

对应的伪代码如下。

synchronized(对象) {
      while(条件不满足) {
      对象.wait();
     }
    对应的处理逻辑
}

通知方遵循如下原则。
1）获得对象的锁。
2）改变条件。
3）通知所有等待在对象上的线程。

对应的伪代码如下。 

synchronized(对象) {
    改变条件
    对象.notifyAll();
}

四 Thread.join()的使用 

如果一个线程A执行了thread.join()语句，其含义是：当前线程A等待thread线程终止之后才从thread.join()返回。线程Thread除了提供join()方法之外，还提供了join(long millis)和join(long millis,int nanos)两个具备超时特性的方法。这两个超时方法表示，如果线程thread在给定的超时时间里没有终止，那么将会从该超时方法中返回。

Join.java

public class Join {
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		Thread previous = Thread.currentThread();
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			// 每个线程拥有前一个线程的引用，需要等待前一个线程终止，才能从等待中返回
			Thread thread = new Thread(new Domino(previous), String.valueOf(i));
			thread.start();
			previous = thread;
		}
		TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
		System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " terminate.");
	}

	static class Domino implements Runnable {
		private Thread thread;

		public Domino(Thread thread) {
			this.thread = thread;
		}

		public void run() {
			try {
				thread.join();
			} catch (InterruptedException e) {
			}
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " terminate.");
		}
	}
}

输出如下。

main terminate.
0 terminate.
1 terminate.
2 terminate.
3 terminate.
4 terminate.
5 terminate.
6 terminate.
7 terminate.
8 terminate.
9 terminate.

从上述输出可以看到，每个线程终止的前提是前驱线程的终止，每个线程等待前驱线程终止后，才从join()方法返回，这里涉及了等待/通知机制（等待前驱线程结束，接收前驱线程结束通知）。 

代码清单4-14是JDK中Thread.join()方法的源码（进行了部分调整）。

// 加锁当前线程对象
public final synchronized void join() throws InterruptedException {
    // 条件不满足，继续等待
    while (isAlive()) {
        wait(0);
    }
    // 条件符合，方法返回
}

当线程终止时，会调用线程自身的notifyAll()方法，会通知所有等待在该线程对象上的线程。可以看到join()方法的逻辑结构与4.3.3节中描述的等待/通知经典范式一致，即加锁、循环和处理逻辑3个步骤。 

 

参考《Java并发编程的艺术》