Wait/Notify通知机制解析

Posted by 梧桐和风的博客 on December 9, 2017

Wait/Notify通知机制解析

前言

我们知道,java的wait/notify的通知机制可以用来实现线程间通信。wait表示线程的等待,调用该方法会导致线程阻塞,直至另一线程调用notify或notifyAll方法才可另其继续执行。经典的生产者、消费者模式即是使用wait/notify机制得以完成。在这篇文章中,我们将深入解析这一机制,了解其背后的原理。

线程的状态

在了解wait/notify机制前,先熟悉一下java线程的几个生命周期。分别为初始(NEW)、运行(RUNNABLE)、阻塞(BLOCKED)、等待(WAITING)、超时等待(TIMED_WAITING)、终止(TERMINATED)等状态(位于java.lang.Thread.State枚举类中)。

以下是对这几个状态的简要说明,详细说明见该类注释。

状态名称 说明
NEW 初始状态,线程被构建,但未调用start()方法
RUNNABLE 运行状态,调用start()方法后。在java线程中,将操作系统线程的就绪和运行统称运行状态
BLOCKED 阻塞状态,线程等待进入synchronized代码块或方法中,等待获取锁
WAITING 等待状态,线程可调用wait、join等操作使自己陷入等待状态,并等待其他线程做出特定操作(如notify或中断)
TIMED_WAITING 超时等待,线程调用sleep(timeout)、wait(timeout)等操作进入超时等待状态,超时后自行返回
TERMINATED 终止状态,线程运行结束

对于以上线程间的状态及转化关系,我们需要知道

  1. WAITING(等待状态)和TIMED_WAITING(超时等待)都会令线程进入等待状态,不同的是TIMED_WAITING会在超时后自行返回,而WAITING则需要等待至条件改变。
  2. 进入阻塞状态的唯一前提是在等待获取同步锁。java注释说的很明白,只有两种情况可以使线程进入阻塞状态:一是等待进入synchronized块或方法,另一个是在调用wait()方法后重新进入synchronized块或方法。下文会有详细解释。
  3. Lock类对于锁的实现不会令线程进入阻塞状态,Lock底层调用LockSupport.park()方法,使线程进入的是等待状态。

wait/notify用例

让我们先通过一个示例解析

wait()方法可以使线程进入等待状态,而notify()可以使等待的状态唤醒。这样的同步机制十分适合生产者、消费者模式:消费者消费某个资源,而生产者生产该资源。当该资源缺失时,消费者调用wait()方法进行自我阻塞,等待生产者的生产;生产者生产完毕后调用notify/notifyAll()唤醒消费者进行消费。

以下是代码示例,其中flag标志表示资源的有无。


public class ThreadTest {

    static final Object obj = new Object();  //对象锁

    private static boolean flag = false;

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        Thread consume = new Thread(new Consume(), "Consume");
        Thread produce = new Thread(new Produce(), "Produce");
        consume.start();
        Thread.sleep(1000);
        produce.start();

        try {
            produce.join();
            consume.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    // 生产者线程
    static class Produce implements Runnable {

        @Override
        public void run() {

            synchronized (obj) {
                System.out.println("进入生产者线程");
                System.out.println("生产");
                try {
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(2000);  //模拟生产过程
                    flag = true;
                    obj.notify();  //通知消费者
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1000);  //模拟其他耗时操作
                    System.out.println("退出生产者线程");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    //消费者线程
    static class Consume implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            synchronized (obj) {
                System.out.println("进入消费者线程");
                System.out.println("wait flag 1:" + flag);
                while (!flag) {  //判断条件是否满足,若不满足则等待
                    try {
                        System.out.println("还没生产,进入等待");
                        obj.wait();
                        System.out.println("结束等待");
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                System.out.println("wait flag 2:" + flag);
                System.out.println("消费");
                System.out.println("退出消费者线程");
            }

        }
    }
}

输出结果为:

进入消费者线程
wait flag 1:false
还没生产,进入等待
进入生产者线程
生产
退出生产者线程
结束等待
wait flag 2:true
消费
退出消费者线程

理解了输出结果的顺序,也就明白了wait/notify的基本用法。有以下几点需要知道:

  1. 在示例中没有体现但很重要的是,wait/notify方法的调用必须处在该对象的锁(Monitor)中,也即,在调用这些方法时首先需要获得该对象的锁。否则会抛出IllegalMonitorStateException异常。
  2. 从输出结果来看,在生产者调用notify()后,消费者并没有立即被唤醒,而是等到生产者退出同步块后才唤醒执行。(这点其实也好理解,synchronized同步方法(块)同一时刻只允许一个线程在里面,生产者不退出,消费者也进不去)
  3. 注意,消费者被唤醒后是从wait()方法(被阻塞的地方)后面执行,而不是重新从同步块开始。

深入了解

这一节我们探讨wait/notify与线程状态之间的关系。深入了解线程的生命周期。

由前面线程的状态转化图可知,当调用wait()方法后,线程会进入WAITING(等待状态),后续被notify()后,并没有立即被执行,而是进入等待获取锁的阻塞队列。

对于每个对象来说,都有自己的等待队列和阻塞队列。以前面的生产者、消费者为例,我们拿obj对象作为对象锁,配合图示。内部流程如下

  1. 当线程A(消费者)调用wait()方法后,线程A让出锁,自己进入等待状态,同时加入锁对象的等待队列。
  2. 线程B(生产者)获取锁后,调用notify方法通知锁对象的等待队列,使得线程A从等待队列进入阻塞队列。
  3. 线程A进入阻塞队列后,直至线程B释放锁后,线程A竞争得到锁继续从wait()方法后执行。

参考资料

  1. 《java并发编程的艺术》
  2. 【Java并发编程】之十:使用wait/notify/notifyAll实现线程间通信的几点重要说明
  3. Java 并发编程:线程间的协作(wait/notify/sleep/yield/join)