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

在前面我们将了很多关于同步的问题，然而在现实中，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。

一.wait()、notify()和notifyAll()

在Java中，可以通过配合调用Object对象的wait（）方法和notify（）方法或notifyAll（）方法来实现线程间的通信。在线程中调用wait（）方法，将阻塞等待其他线程的通知（其他线程调用notify（）方法或notifyAll（）方法），在线程中调用notify（）方法或notifyAll（）方法，将通知其他线程从wait（）方法处返回。

      Object是所有类的超类，它有5个方法组成了等待/通知机制的核心：notify（）、notifyAll（）、wait（）、wait（long）和wait（long，int）。在Java中，所有的类都从Object继承而来，因此，所有的类都拥有这些共有方法可供使用。而且，由于他们都被声明为final，因此在子类中不能覆写任何一个方法。

 这里详细说明一下各个方法在使用中需要注意的几点：

1、wait（）

public final void wait()  throws InterruptedException,IllegalMonitorStateException

该方法用来将当前线程置入休眠状态，直到接到通知或被中断为止。在调用wait（）之前，线程必须要获得该对象的对象级别锁，即只能在同步方法或同步块中调用wait（）方法。进入wait（）方法后，当前线程释放锁。在从wait（）返回前，线程与其他线程竞争重新获得锁。如果调用wait（）时，没有持有适当的锁，则抛出IllegalMonitorStateException，它是RuntimeException的一个子类，因此，不需要try-catch结构。

2、notify（）

public final native void notify() throws IllegalMonitorStateException

该方法也要在同步方法或同步块中调用，即在调用前，线程也必须要获得该对象的对象级别锁，的如果调用notify（）时没有持有适当的锁，也会抛出IllegalMonitorStateException。
该方法用来通知那些可能等待该对象的对象锁的其他线程。如果有多个线程等待，则线程规划器任意挑选出其中一个wait（）状态的线程来发出通知，并使它等待获取该对象的对象锁（notify后，当前线程不会马上释放该对象锁，wait所在的线程并不能马上获取该对象锁，要等到程序退出synchronized代码块后，当前线程才会释放锁，wait所在的线程也才可以获取该对象锁），但不惊动其他同样在等待被该对象notify的线程们。当第一个获得了该对象锁的wait线程运行完毕以后，它会释放掉该对象锁，此时如果该对象没有再次使用notify语句，则即便该对象已经空闲，其他wait状态等待的线程由于没有得到该对象的通知，会继续阻塞在wait状态，直到这个对象发出一个notify或notifyAll。这里需要注意：它们等待的是被notify或notifyAll，而不是锁。这与下面的notifyAll（）方法执行后的情况不同。

3、notifyAll（）

public final native void notifyAll() throws IllegalMonitorStateException

该方法与notify（）方法的工作方式相同，重要的一点差异是：

notifyAll使所有原来在该对象上wait的线程统统退出wait的状态（即全部被唤醒，不再等待notify或notifyAll，但由于此时还没有获取到该对象锁，因此还不能继续往下执行），变成等待获取该对象上的锁，一旦该对象锁被释放（notifyAll线程退出调用了notifyAll的synchronized代码块的时候），他们就会去竞争。如果其中一个线程获得了该对象锁，它就会继续往下执行，在它退出synchronized代码块，释放锁后，其他的已经被唤醒的线程将会继续竞争获取该锁，一直进行下去，直到所有被唤醒的线程都执行完毕。

4、wait（long）和wait（long,int）

显然，这两个方法是设置等待超时时间的，后者在超值时间上加上ns，精度也难以达到，因此，该方法很少使用。对于前者，如果在等待线程接到通知或被中断之前，已经超过了指定的毫秒数，则它通过竞争重新获得锁，并从wait（long）返回。另外，需要知道，如果设置了超时时间，当wait（）返回时，我们不能确定它是因为接到了通知还是因为超时而返回的，因为wait（）方法不会返回任何相关的信息。但一般可以通过设置标志位来判断，在notify之前改变标志位的值，在wait（）方法后读取该标志位的值来判断，当然为了保证notify不被遗漏，我们还需要另外一个标志位来循环判断是否调用wait（）方法。

深入理解：

如果线程调用了对象的wait（）方法，那么线程便会处于该对象的等待池中，等待池中的线程不会去竞争该对象的锁。

当有线程调用了对象的notifyAll（）方法（唤醒所有wait线程）或notify（）方法（只随机唤醒一个wait线程），被唤醒的的线程便会进入该对象的锁

优先级高的线程竞争到对象锁的概率大，假若某线程没有竞争到该对象锁，它还会留在锁池中，唯有线程再次调用wait（）方法，它才会重新回到等待池中。而竞争到对象锁的线程则继续往下执行，直到执行完了synchronized代码块，它会释放掉该对象锁，这时锁池中的线程会继续竞争该对象锁。池中，锁池中的线程会去竞争该对象锁。

二.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Condition1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，在阻塞队列那一篇博文中就讲述到了，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

Lock可以更好的解决线程同步问题，使之更面向对象，并且ReadWriteLock在处理同步时更强大，那么同样，线程间仅仅互斥是不够的，还需要通信，本篇的内容是基于上篇之上，使用Lock如何处理线程通信。

那么引入本篇的主角，Condition，Condition 将 Object 监视器方法（wait、notify 和 notifyAll）分解成截然不同的对象，以便通过将这些对象与任意 Lock 实现组合使用，为每个对象提供多个等待 set （wait-set）。其中，Lock 替代了 synchronized 方法和语句的使用，Condition 替代了 Object 监视器方法的使用。下面将之前写过的一个线程通信的例子替换成用Condition实现(Java线程(三))，代码如下：

public class ThreadTest2 {      public static void main(String[] args) {          final Business business = new Business();          new Thread(new Runnable() {              @Override              public void run() {                  threadExecute(business, "sub");              }          }).start();          threadExecute(business, "main");      }         public static void threadExecute(Business business, String threadType) {          for(int i = 0; i < 100; i++) {              try {                  if("main".equals(threadType)) {                      business.main(i);                  } else {                      business.sub(i);                  }              } catch (InterruptedException e) {                  e.printStackTrace();              }          }      }  }  class Business {      private boolean bool = true;      private Lock lock = new ReentrantLock();      private Condition condition = lock.newCondition();       public  void main(int loop) throws InterruptedException {          lock.lock();          try {              while(bool) {                                 condition.await();//this.wait();              }              for(int i = 0; i < 100; i++) {                  System.out.println("main thread seq of " + i + ", loop of " + loop);              }              bool = true;              condition.signal();//this.notify();          } finally {              lock.unlock();          }      }         public  void sub(int loop) throws InterruptedException {          lock.lock();          try {              while(!bool) {                  condition.await();//this.wait();              }              for(int i = 0; i < 10; i++) {                  System.out.println("sub thread seq of " + i + ", loop of " + loop);              }              bool = false;              condition.signal();//this.notify();          } finally {              lock.unlock();          }      }  }  

在Condition中，用await()替换wait()，用signal()替换notify()，用signalAll()替换notifyAll()，传统线程的通信方式，Condition都可以实现，这里注意，Condition是被绑定到Lock上的，要创建一个Lock的Condition必须用newCondition()方法。

这样看来，Condition和传统的线程通信没什么区别，Condition的强大之处在于它可以为多个线程间建立不同的Condition，下面引入API中的一段代码，加以说明。

class BoundedBuffer {     final Lock lock = new ReentrantLock();//锁对象     final Condition notFull  = lock.newCondition();//写线程条件      final Condition notEmpty = lock.newCondition();//读线程条件        final Object[] items = new Object[100];//缓存队列     int putptr, takeptr, count;       public void put(Object x) throws InterruptedException {       lock.lock();       try {         while (count == items.length)//如果队列满了            notFull.await();//阻塞写线程         items[putptr] = x;//赋值          if (++putptr == items.length) putptr = 0;//如果写索引写到队列的最后一个位置了，那么置为0         ++count;//个数++         notEmpty.signal();//唤醒读线程       } finally {         lock.unlock();       }     }       public Object take() throws InterruptedException {       lock.lock();       try {         while (count == 0)//如果队列为空           notEmpty.await();//阻塞读线程         Object x = items[takeptr];//取值          if (++takeptr == items.length) takeptr = 0;//如果读索引读到队列的最后一个位置了，那么置为0         --count;//个数--         notFull.signal();//唤醒写线程         return x;       } finally {         lock.unlock();       }     }    }  

这是一个处于多线程工作环境下的缓存区，缓存区提供了两个方法，put和take，put是存数据，take是取数据，内部有个缓存队列，具体变量和方法说明见代码，这个缓存区类实现的功能：有多个线程往里面存数据和从里面取数据，其缓存队列(先进先出后进后出)能缓存的最大数值是100，多个线程间是互斥的，当缓存队列中存储的值达到100时，将写线程阻塞，并唤醒读线程，当缓存队列中存储的值为0时，将读线程阻塞，并唤醒写线程，下面分析一下代码的执行过程：

 

 1. 一个写线程执行，调用put方法；

        2. 判断count是否为100，显然没有100；

        3. 继续执行，存入值；

        4. 判断当前写入的索引位置++后，是否和100相等，相等将写入索引值变为0，并将count+1；

        5. 仅唤醒读线程阻塞队列中的一个；

        6. 一个读线程执行，调用take方法；

        7. ……

        8. 仅唤醒写线程阻塞队列中的一个。

这就是多个Condition的强大之处，假设缓存队列中已经存满，那么阻塞的肯定是写线程，唤醒的肯定是读线程，相反，阻塞的肯定是读线程，唤醒的肯定是写线程，那么假设只有一个Condition会有什么效果呢，缓存队列中已经存满，这个Lock不知道唤醒的是读线程还是写线程了，如果唤醒的是读线程，皆大欢喜，如果唤醒的是写线程，那么线程刚被唤醒，又被阻塞了，这时又去唤醒，这样就浪费了很多时间。