多线程之--等待与通知

wait/notify

等待线程和通知线程是同步在同一对象之上的两种线程

使用过程

//等待
synchronized(object){
    //保护条件不成立时，当前线程暂停，进入等待集
	while(!保护条件){
		object.wait();
	}
	doSomething();
}
//唤醒
synchronized(object){
    //更新等待线程保护条件涉及的共享变量
	updateSharedState();
	object.notify();
}

内部实现

Java虚拟机会给每个对象维护一个入口集EntrySet用于存储申请该对象内部锁的线程，和等待集WaitSet用于存储该对象上的等待线程；

• 线程B获取锁

• 保护条件不满足，线程B暂停，并释放锁（原子操作），将当前线程的引用存入该方法所属对象的等待集中

• 线程A申请锁

• 线程A获取锁

• 线程A更新保护条件

• 保护条件满足，唤醒等待集中任意线程

• 线程B被唤醒但仍留在等待集中，尝试获取锁，成功获取锁，等待集移除线程B，Object.wait()调用返回

//wait伪代码实现
pulic void wait(){
    if(Thread.holdLock(this)){
        throw new IllegalMonitorStateException();
    }
    if(waitSet.contains(Thread.currentThread())){
        addToWaitSet(Thread.currentThread());
    }
    //原子操作
    atomic {
        releaseLock(this);
        //暂停当前线程 等待唤醒
        block(Thread.currentThread());
    }
    //被唤醒后
    acquireLock(this);
    removeFromWaitSet(Thread.currentThread());
    return;
}

例子：监控服务/等待超时控制/Thread.join实现

wait/notify问题

• 问题

  wait(long)不能区分其返回是否因等待超时而导致的问题

• 解决

  juc包下的Condition类的awaitUtil(Date)方法（todo实现）

过早唤醒

• 问题

  因为一个对象只维护一个等待集，当在这个对象中的一个保护条件A被更新且成立时，调用notifyAll将会唤醒所有等待线程，这时使用其他保护条件B的等待线程甲也会被唤醒，发现自己保护条件不成立，只能继续等待。

• 解决

  juc包下的Condition类的await方法

信号丢失

• 问题

  保护条件成立判断和wait调用没有放在一个临界区内的循环里（todo）

• 问题

  notify唤醒不考虑任何保护条件，即notify没有成功唤醒当前等待条件上的等待线程，可能唤醒了其他保护条件的线程或一个都没唤醒，需换成notifyAll

欺骗性唤醒

• 问题

  等待线程没有在notify/notifyAll的情况下因操作系统导致被唤醒，导致过早唤醒，需要保护条件成立判断和wait调用放在一个临界区内的循环里

导致较多的上下文切换

• 原因

  • 锁的申请与释放
  • 等待线程从暂停到被唤醒
  • 与申请锁的Runnable线程争取相应的内部锁
  • 过早唤醒的等待线程

• 解决

  • 保证程序正确性的前提下，notify代替notifyAll
  • 通知线程执行完notify/notifyAll后尽早释放锁，导致被唤醒线程需要多次申请锁而被暂停（todo）

notify/notifyAll的选用

	优点	缺点	适用
notify		信号丢失	同质多等待线程
notifyAll	正确性	过早唤醒

具体案例

Thread.join()是一个同步方法，其内部就是使用wait/notify来实现，等待目标线程执行结束后再继续执行；等待线程在目标线程未结束时调用wait来暂停自己，虚拟机会在目标线程的run方法运行结束后执行notifyAll。（同步的概念是什么todo）

Condition

是wait/notify的替代品，await方法类似于wait，signal方法类似于notify，signalAll类似于notifyAll；由显示锁Lock创建，并要求其执行线程持有创建该Condition实例的显式锁。可用于解决wait(long)无法区分是因为超时等待还是被通知而返回，及过早唤醒问题。 Condition实例也被称为条件变量，内部维护一个存储等待线程的队列。

使用过程

class ConditionTest{
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition condition = lock.newCondition();
    public void awaitFunc() throws Exception{
    	lock.lock();
	try{
		while(!保护条件){
			condition.await();
		}
		doSomething();
	}finally{
		lock.unlock();
	}
    }
    public void signalFunc(){
    	lock.lock();
	try{
		updateState();
		condition.signal();
	}finally{
		lock.unlock();
	}
    }
}

实现原理

建立保护条件与条件变量之间的对应关系，让不同保护条件的等待线程调用对应条件变量的await方法实现等待，signal同理。