如何在 Java 中正确使用 wait, notify 和 notifyAll – 以生产者消费者模型为例

如何在 Java 中正确使用 wait, notify 和 notifyAll – 以生产者消费者模型为例

wait, notify 和 notifyAll,这些在多线程中被经常用到的保留关键字,在实际开发的时候很多时候却并没有被大家重视。本文对这些关键字的使用进行了描述。

在 Java 中可以用 wait、notify 和 notifyAll 来实现线程间的通信。。举个例子,如果你的Java程序中有两个线程——即生产者和消费者,那么生产者可以通知消费者,让消费者开始消耗数据,因为队列缓冲区中有内容待消费(不为空)。相应的,消费者可以通知生产者可以开始生成更多的数据,因为当它消耗掉某些数据后缓冲区不再为满。

我们可以利用wait()来让一个线程在某些条件下暂停运行。例如,在生产者消费者模型中,生产者线程在缓冲区为满的时候,消费者在缓冲区为空的时候,都应该暂停运行。如果某些线程在等待某些条件触发,那当那些条件为真时,你可以用 notify 和 notifyAll 来通知那些等待中的线程重新开始运行。不同之处在于,notify 仅仅通知一个线程,并且我们不知道哪个线程会收到通知,然而 notifyAll 会通知所有等待中的线程。换言之,如果只有一个线程在等待一个信号灯,notify和notifyAll都会通知到这个线程。但如果多个线程在等待这个信号灯,那么notify只会通知到其中一个,而其它线程并不会收到任何通知,而notifyAll会唤醒所有等待中的线程。

在这篇文章中你将会学到如何使用 wait、notify 和 notifyAll 来实现线程间的通信,从而解决生产者消费者问题。如果你想要更深入地学习Java中的多线程同步问题,我强烈推荐阅读Brian Goetz所著的《Java Concurrency in Practice | Java 并发实践》,不读这本书你的 Java 多线程征程就不完整哦!这是我最向Java开发者推荐的书之一。

如何使用Wait

尽管关于wait和notify的概念很基础,它们也都是Object类的函数,但用它们来写代码却并不简单。如果你在面试中让应聘者来手写代码,用wait和notify解决生产者消费者问题,我几乎可以肯定他们中的大多数都会无所适从或者犯下一些错误,例如在错误的地方使用 synchronized 关键词,没有对正确的对象使用wait,或者没有遵循规范的代码方法。说实话,这个问题对于不常使用它们的程序员来说确实令人感觉比较头疼。

第一个问题就是,我们怎么在代码里使用wait()呢?因为wait()并不是Thread类下的函数,我们并不能使用Thread.call()。事实上很多Java程序员都喜欢这么写,因为它们习惯了使用Thread.sleep(),所以他们会试图使用wait() 来达成相同的目的,但很快他们就会发现这并不能顺利解决问题。正确的方法是对在多线程间共享的那个Object来使用wait。在生产者消费者问题中,这个共享的Object就是那个缓冲区队列。

第二个问题是,既然我们应该在synchronized的函数或是对象里调用wait,那哪个对象应该被synchronized呢?答案是,那个你希望上锁的对象就应该被synchronized,即那个在多个线程间被共享的对象。在生产者消费者问题中,应该被synchronized的就是那个缓冲区队列。(我觉得这里是英文原文有问题……本来那个句末就不应该是问号不然不太通……)

永远在循环(loop)里调用 wait 和 notify,不是在 If 语句

现在你知道wait应该永远在被synchronized的背景下和那个被多线程共享的对象上调用,下一个一定要记住的问题就是,你应该永远在while循环,而不是if语句中调用wait。因为线程是在某些条件下等待的——在我们的例子里,即“如果缓冲区队列是满的话,那么生产者线程应该等待”,你可能直觉就会写一个if语句。但if语句存在一些微妙的小问题,导致即使条件没被满足,你的线程你也有可能被错误地唤醒。所以如果你不在线程被唤醒后再次使用while循环检查唤醒条件是否被满足,你的程序就有可能会出错——例如在缓冲区为满的时候生产者继续生成数据,或者缓冲区为空的时候消费者开始小号数据。所以记住,永远在while循环而不是if语句中使用wait!我会推荐阅读《Effective Java》,这是关于如何正确使用wait和notify的最好的参考资料。

基于以上认知,下面这个是使用wait和notify函数的规范代码模板:

// The standard idiom for calling the wait method in Java 
synchronized(sharedObject) {
while(condition) {
sharedObject.wait();
// (Releases lock, and reacquires on wakeup)
}
// do action based upon condition e.g. take or put into queue
}

就像我之前说的一样,在while循环里使用wait的目的,是在线程被唤醒的前后都持续检查条件是否被满足。如果条件并未改变,wait被调用之前notify的唤醒通知就来了,那么这个线程并不能保证被唤醒,有可能会导致死锁问题。

Java wait(), notify(), notifyAll() 范例

下面我们提供一个使用wait和notify的范例程序。在这个程序里,我们使用了上文所述的一些代码规范。我们有两个线程,分别名为PRODUCER(生产者)和CONSUMER(消费者),他们分别继承了了Producer和Consumer类,而Producer和Consumer都继承了Thread类。Producer和Consumer想要实现的代码逻辑都在run()函数内。Main线程开始了生产者和消费者线程,并声明了一个LinkedList作为缓冲区队列(在Java中,LinkedList实现了队列的接口)。生产者在无限循环中持续往LinkedList里插入随机整数直到LinkedList满。我们在while(queue.size == maxSize)循环语句中检查这个条件。请注意到我们在做这个检查条件之前已经在队列对象上使用了synchronized关键词,因而其它线程不能在我们检查条件时改变这个队列。如果队列满了,那么PRODUCER线程会在CONSUMER线程消耗掉队列里的任意一个整数,并用notify来通知PRODUCER线程之前持续等待。在我们的例子中,wait和notify都是使用在同一个共享对象上的。

importjava.util.LinkedList; 
importjava.util.Queue;
importjava.util.Random;
/**
* Simple Java program to demonstrate How to use wait, notify and notifyAll()
* method in Java by solving producer consumer problem.
*
* @author Javin Paul
*/
publicclass ProducerConsumerInJava {
publicstatic void main(String args[]) {
System.out.println("How to use wait and notify method in Java");
System.out.println("Solving Producer Consumper Problem");
Queue<Integer> buffer = newLinkedList<>();
intmaxSize = 10;
Thread producer = newProducer(buffer, maxSize, "PRODUCER");
Thread consumer = newConsumer(buffer, maxSize, "CONSUMER");
producer.start(); consumer.start(); }
}
/**
* Producer Thread will keep producing values for Consumer
* to consumer. It will use wait() method when Queue is full
* and use notify() method to send notification to Consumer
* Thread.
*
* @author WINDOWS 8
*
*/
classProducer extendsThread
{privateQueue<Integer> queue;
privateint maxSize;
publicProducer(Queue<Integer> queue, intmaxSize, String name){
super(name);this.queue = queue; this.maxSize = maxSize;
}
@Overridepublic void run()
{
while(true)
{
synchronized(queue) {
while(queue.size() == maxSize) {
try{
System.out .println("Queue is full, " + "Producer thread waiting for "+ "consumer to take something from queue");
queue.wait();
}catch(Exception ex) {
ex.printStackTrace(); }
}
Random random = newRandom();
inti = random.nextInt();
System.out.println("Producing value : " + i); queue.add(i); queue.notifyAll();
}
}
}
}
/**
* Consumer Thread will consumer values form shared queue.
* It will also use wait() method to wait if queue is
* empty. It will also use notify method to send
* notification to producer thread after consuming values
* from queue.
*
* @author WINDOWS 8
*
*/
classConsumer extendsThread {
privateQueue<Integer> queue;
privateint maxSize;
publicConsumer(Queue<Integer> queue, intmaxSize, String name){
super(name);
this.queue = queue;
this.maxSize = maxSize;
}
@Overridepublic void run() {
while(true) {
synchronized(queue) {
while(queue.isEmpty()) {
System.out.println("Queue is empty," + "Consumer thread is waiting" + " for producer thread to put something in queue");
try{
queue.wait();
}catch(Exception ex) {
ex.printStackTrace();
}
}
System.out.println("Consuming value : " + queue.remove()); queue.notifyAll();
}
}
}
}

为了更好地理解这个程序,我建议你在debug模式里跑这个程序。一旦你在debug模式下启动程序,它会停止在PRODUCER或者CONSUMER线程上,取决于哪个线程占据了CPU。因为两个线程都有wait()的条件,它们一定会停止,然后你就可以跑这个程序然后看发生什么了(很有可能它就会输出我们以上展示的内容)。你也可以使用Eclipse里的Step into和Step over按钮来更好地理解多线程间发生的事情。

本文重点:

  1. 你可以使用wait和notify函数来实现线程间通信。你可以用它们来实现多线程(>3)之间的通信。

  2. 永远在synchronized的函数或对象里使用wait、notify和notifyAll,不然Java虚拟机会生成 IllegalMonitorStateException。

  3. 永远在while循环里而不是if语句下使用wait。这样,循环会在线程睡眠前后都检查wait的条件,并在条件实际上并未改变的情况下处理唤醒通知。

  4. 永远在多线程间共享的对象(在生产者消费者模型里即缓冲区队列)上使用wait。

  5. 基于前文提及的理由,更倾向用 notifyAll(),而不是 notify()。

这是关于Java里如何使用wait, notify和notifyAll的所有重点啦。你应该只在你知道自己要做什么的情况下使用这些函数,不然Java里还有很多其它的用来解决同步问题的方案。例如,如果你想使用生产者消费者模型的话,你也可以使用BlockingQueue,它会帮你处理所有的线程安全问题和流程控制。如果你想要某一个线程等待另一个线程做出反馈再继续运行,你也可以使用CycliBarrier或者CountDownLatch。如果你只是想保护某一个资源的话,你也可以使用Semaphore。


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