Java 并发：线程间通信与协作

• 一. wait/notify （synchronized）机制：线程间通过共享数据来实现通信，即多个线程主动地读取一个共享数据，通过 同步互斥访问机制 保证线程的安全性。等待/通知机制 主要由 Object类 中的以下三个方法保证， 这三个方法必须在同步代码中执行, 并且使用同步锁对象来调用
  • 1、wait()、notify() 和 notifyAll()：上述三个方法均非Thread类中所声明的方法，而是Object类中声明的方法。原因是每个对象都拥有monitor（锁），所以让当前线程等待某个对象的锁，当然应该通过这个对象来操作，而不是用当前线程来操作，因为当前线程可能会等待多个线程的锁，如果通过线程来操作，就非常复杂了。
    • 1) wait()：让 当前线程 (Thread.concurrentThread() 方法所返回的线程) 释放对象锁并进入等待（阻塞）状态。
    • 2) notify()：唤醒一个正在等待相应对象锁的线程，使其进入就绪队列，以便在当前线程释放锁后竞争锁，进而得到CPU的执行。在执行 notify() 方法后，当前线程不会马上释放该锁对象，呈 wait 状态的线程也并不能马上获取该对象锁。只有等到执行notify()方法的线程退出synchronized代码块/方法后，当前线程才会释放锁，而相应的呈wait状态的线程才可以去争取该对象锁。
    • 3) notifyAll()：唤醒所有正在等待相应对象锁的线程，使它们进入就绪队列，以便在当前线程释放锁后竞争锁，进而得到CPU的执行。
    • 4) 小结：从以上描述可以得出：
      • wait()、notify() 和 notifyAll()方法是 本地方法，并且为 final 方法，无法被重写；
      • 调用某个对象的 wait() 方法能让 当前线程阻塞，并且当前线程必须拥有此对象的monitor（即锁）；
      • 调用某个对象的 notify() 方法能够唤醒 一个正在等待这个对象的monitor的线程，如果有多个线程都在等待这个对象的monitor，则只能唤醒其中一个线程；
      • 调用notifyAll()方法能够唤醒所有正在等待这个对象的monitor的线程。
  • 2、方法调用与线程状态关系
    • 每个锁对象都有两个队列，一个是就绪队列，一个是阻塞队列。就绪队列存储了已就绪（将要竞争锁）的线程，阻塞队列存储了被阻塞的线程。当一个阻塞线程被唤醒后，才会进入就绪队列，进而等待CPU的调度；反之，当一个线程被wait后，就会进入阻塞队列，等待被唤醒。

      

• 二. Condition
  • Condition是在java 1.5中出现的，它用来替代传统的Object的wait()/notify()实现线程间的协作，它的使用依赖于 Lock，Condition、Lock 和 Thread 三者之间的关系如下图所示。相比使用Object的wait()/notify()，使用Condition的await()/signal()这种方式能够更加安全和高效地实现线程间协作。Condition是个接口，基本的方法就是await()和signal()方法。Condition依赖于Lock接口，生成一个Condition的基本代码是lock.newCondition() 。 必须要注意的是，Condition 的 await()/signal() 使用都必须在lock保护之内，也就是说，必须在lock.lock()和lock.unlock之间才可以使用。事实上，Conditon的await()/signal() 与 Object的wait()/notify() 有着天然的对应关系：

    

    • Conditon中的await()对应Object的wait()；
    • Condition中的signal()对应Object的notify()；
    • Condition中的signalAll()对应Object的notifyAll()。
  • Condition 实现了一种分组机制，将所有对临界资源进行访问的线程进行分组，以便实现线程间更精细化的协作，例如通知部分线程
• 四. 生产者-消费者模型：等待/通知机制 最经典的应用就是 生产者-消费者模型。下面以多生产者-多消费者问题为背景，分别运用两种模式 —— synchronized+wait-notify模式和Lock+Condition模式实现 wait-notify 机制。
  • 在多个同类型线程（多个生产者线程或者消费者线程）的场景中，为防止wait的条件发生变化而导致线程异常终止，我们在阻塞线程被唤醒的同时还必须对wait的条件进行额外的检查，即 使用 while 循环代替 if 条件；
  • 在多个同类型线程（多个生产者线程或者消费者线程）的场景中，为防止生产者(消费者)唤醒生产者(消费者)，保证生产者和消费者互相唤醒，需要 使用 notify 替代 notifyAll.