Java 并发--- 线程间协作的两种方式：wait、notify、notifyAll和Condition

多线程除了同步问题外，还需要线程之间的协作。比如说最经典的生产者-消费者模型：当队列满时，生产者需要等待队列有空间才能继续往里面放入商品，而在等待的期间内，生产者必须释放对临界资源（即队列）的占用权。因为生产者如果不释放对临界资源的占用权，那么消费者就无法消费队列中的商品，就不会让队列有空间，那么生产者就会一直无限等待下去。因此，一般情况下，当队列满时，会让生产者交出对临界资源的占用权，并进入挂起状态。然后等待消费者消费了商品，然后消费者通知生产者队列有空间了。同样地，当队列空时，消费者也必须等待，等待生产者通知它队列中有商品了。这种互相通信的过程就是线程间的协作。

Java中线程协作的最常见的两种方式：利用Object.wait()、Object.notify()和使用Condition。

wait()、notify()和notifyAll()

wait()、notify()和notifyAll()是Object类中的方法：

1）wait()、notify()和notifyAll()方法是本地方法，并且为final方法，无法被重写。2）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）3）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；4）调用notifyAll()方法能够唤醒所有正在等待这个对象的monitor的线程；

疑问：为何这三个不是Thread类声明中的方法，而是Object类中声明的方法？

其实这个问题很简单，由于每个对象都拥有monitor（即锁），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了。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。

调用某个对象的wait()方法，当前线程必须拥有这个对象的monitor（即锁），因此调用wait()方法必须在同步块或者同步方法中进行（synchronized块或者synchronized方法）。

调用某个对象的wait()方法，相当于让当前线程交出此对象的monitor，然后进入等待状态，等待后续再次获得此对象的锁（Thread类中的sleep方法使当前线程暂停执行一段时间，从而让其他线程有机会继续执行，但它并不释放对象锁）；

notify()方法能够唤醒一个正在等待该对象的monitor的线程，当有多个线程都在等待该对象的monitor的话，则只能唤醒其中一个线程，具体唤醒哪个线程则不得而知。

同样地，调用某个对象的notify()方法，当前线程也必须拥有这个对象的monitor，因此调用notify()方法必须在同步块或者同步方法中进行（synchronized块或者synchronized方法）。

nofityAll()方法能够唤醒所有正在等待该对象的monitor的线程，这一点与notify()方法是不同的。

这里要注意一点：notify()和notifyAll()方法只是唤醒等待该对象的monitor的线程，并不决定哪个线程能够获取到monitor。

举个简单的例子：假如有三个线程Thread1、Thread2和Thread3都在等待对象objectA的monitor，此时Thread4拥有对象objectA的monitor，当在Thread4中调用objectA.notify()方法之后，Thread1、Thread2和Thread3只有一个能被唤醒。注意，被唤醒不等于立刻就获取了objectA的monitor。假若在Thread4中调用objectA.notifyAll()方法，则Thread1、Thread2和Thread3三个线程都会被唤醒，至于哪个线程接下来能够获取到objectA的monitor就具体依赖于操作系统的调度了。

上面尤其要注意一点，一个线程被唤醒不代表立即获取了对象的monitor，只有等调用完notify()或者notifyAll()并退出synchronized块，释放对象锁后，其余线程才可获得锁执行。

举例：

public class TT6 {    public static Object object = new Object();    public static void main(String[] args) {        Thread0 thread0 = new Thread0();        Thread1 thread1 = new Thread1();        thread0.start();        try {            Thread.sleep(200);        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }        thread1.start();    }    static class Thread0 extends Thread{        @Override        public void run() {            synchronized (object) {                try {                    object.wait();                } catch (InterruptedException e) {                    e.printStackTrace();                }                System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"获取到了锁");            }        }    }    static class Thread1 extends Thread{        @Override        public void run() {            synchronized (object) {                object.notify();                System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"调用了object.notify()");                System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"释放了锁");            }        }    }}

Condition

Condition是在java 1.5中才出现的，它用来替代传统的Object的wait()、notify()实现线程间的协作，相比使用Object的wait()、notify()，使用Condition的await()、signal()这种方式实现线程间协作更加安全和高效。因此通常来说比较推荐使用Condition。阻塞队列实际上是使用了Condition来模拟线程间协作。

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()。调用Condition的await()和signal()方法，都必须在lock保护之内，就是说必须在lock.lock()和lock.unlock之间才可以使用。

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()。

生产者-消费者模型

使用Object的wait()和notify()实现

public class TT4 {    public static int queueSize = 10;    public static Queue<Integer> queue = new PriorityQueue<>(queueSize);    public static void main(String[] args) {        Producer producer = new Producer();        Consumer consumer = new Consumer();        producer.start();        consumer.start();    }    static class Consumer extends Thread{        public void run(){            consume();        }        private void consume(){            while (true){                synchronized (queue){                    while (queue.size() == 0){                        try{                            System.out.println("queue is null, waiting for data");                            queue.wait();                        }catch (InterruptedException e){                            e.printStackTrace();                            queue.notify();                        }                    }                    queue.poll();                    queue.notify();                    System.out.println("remove 1 element, left " + queue.size()+ " elements");                }            }        }    }    static class Producer extends Thread{        public void run(){            produce();        }        private void produce(){            while (true){                synchronized (queue){                    while (queue.size() == queueSize){                        try{                            System.out.println("queue is full, waiting for more space");                            queue.wait();                        }catch (InterruptedException e){                            e.printStackTrace();                            queue.notify();                        }                    }                    queue.offer(1);                    queue.notify();                    System.out.println("insert 1 element, left " + (queueSize - queue.size()) + " spaces");                }            }        }    }}

使用Condition实现

public class TT4_2 {    private int queueSize = 10;    private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<>(queueSize);    private Lock lock = new ReentrantLock();    private Condition notFull = lock.newCondition();    private Condition notEmpty = lock.newCondition();    public static void main(String[] args)  {        TT4_2 test = new TT4_2();        Producer producer = test.new Producer();        Consumer consumer = test.new Consumer();        producer.start();        consumer.start();    }    class Consumer extends Thread{        @Override        public void run() {            consume();        }        private void consume() {            while(true){                lock.lock();                try {                    while(queue.size() == 0){                        try {                            System.out.println("队列空，等待数据");                            notEmpty.await();                        } catch (InterruptedException e) {                            e.printStackTrace();                        }                    }                    queue.poll();                //每次移走队首元素                    notFull.signal();                    System.out.println("从队列取走一个元素，队列剩余"+queue.size()+"个元素");                } finally{                    lock.unlock();                }            }        }    }    class Producer extends Thread{        @Override        public void run() {            produce();        }        private void produce() {            while(true){                lock.lock();                try {                    while(queue.size() == queueSize){                        try {                            System.out.println("队列满，等待有空余空间");                            notFull.await();                        } catch (InterruptedException e) {                            e.printStackTrace();                        }                    }                    queue.offer(1);        //每次插入一个元素                    notEmpty.signal();                    System.out.println("向队列取中插入一个元素，队列剩余空间："+(queueSize-queue.size()));                } finally{                    lock.unlock();                }            }        }    }}