通俗的解释JAVA wait/notify机制

生活中，我们常遇到需要等待的场景，例如去银行办事，在没轮到自己之前需要一直等待，但是如果需要自己每隔几秒钟就去柜台前看看状况，那肯定是种非常低效和令人恼火的体验。而实际的情况是，接待员会让您拿个号，说"请稍等一会"(wait); 当排到时，语言和大屏幕会提示"请XXX号到N号柜台办理"(notify)。

wait/notify机制也正是处理这样的场景：线程继续执行需要等待某个条件的变化，这个条件由另一个任务改变，如果一直空循环检查条件变化，是一种不良的CPU使用方式，这时候可以调用wait()将任务挂起，在其他线程调用了notify()或notifyAll()时，任务被唤醒并检查条件的变化。

这个过程中，锁的持有发生了变化。介绍wait/notify最常用的例子是生产者和消费者，设想你去饭馆吃饭，叫来服务员说，把我的宫保鸡丁端上来吧。这时候你获得了服务员的锁，在解决你的事情前，服务员不能去做别的事。（同一时间，厨师可能已经做好了宫保鸡丁，等服务员来端，但是服务员在和你说话，厨师束手无策(等待锁)。)服务员没有宫保鸡丁，只能对你说：您稍等一下，我去厨房催催。服务员调用了wait()方法，你只好释放锁，服务员回到厨房，厨师怒气冲冲的喊(获得锁)，宫保鸡丁好了，端走。

下面用程序演示这一场景: 

public class Waiter {

    private String dishes = null;

    public synchronized String getDishes() {
        System.out.printf("顾客获得服务员锁%n");
        while(this.dishes == null) {
            try {
                System.out.printf("顾客取菜,没有菜...顾客线程等待(释放锁)%n");
                wait();
            } catch(InterruptedException ex) {
                ex.printStackTrace();
            }
        }
        String d = this.dishes;
        System.out.printf("顾客取走: %s%n", this.dishes);
        this.dishes = null;
        notifyAll();
        System.out.printf("服务员通知正在等待的线程%n");
        return d;
    }

    public synchronized void setDishes(String dishes) {
        System.out.printf("厨师获得服务员锁%n");
        while(this.dishes != null) {
            try {
                System.out.printf("厨师交菜,服务员已经端了另一份菜...厨师线程等待(释放锁)%n");
                wait();
            } catch(InterruptedException ex) {
                ex.printStackTrace();
            }
        }
        this.dishes = dishes;
        System.out.printf("厨师交菜: %s%n", this.dishes);
        notifyAll();
        System.out.printf("服务员通知正在等待的线程(顾客)%n");
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Waiter busy = new Waiter();
        for(int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread consumer = new Thread() {
                public void run() {
                    busy.getDishes();
                }
            };
            consumer.start();
        }
        Thread.sleep(100);
        for(int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread chef = new Thread() {
                public void run() {
                    String dishes = "宫保鸡丁";
                    busy.setDishes(dishes);
                }
            };
            chef.start();
        }
    }
}

运行结果:

顾客获得服务员锁
顾客取菜,没有菜...顾客线程等待(释放锁)
厨师获得服务员锁
厨师交菜: 宫保鸡丁
服务员通知正在等待的线程(顾客)
顾客取走: 宫保鸡丁
服务员通知正在等待的线程(厨师)

下面来说明notifyAll的作用。

修改下代码，把厨师和顾客都增加到10个

public static void main(String[] args) {
    Waiter busy = new Waiter();
    for(int i = 0; i < 10; i++) {
        Thread consumer = new Thread() {
            public void run() {
                busy.getDishes();
            }
        };
        consumer.start();
    }
    for(int i = 0; i < 10; i++) {
        Thread chef = new Thread() {
            public void run() {
                String dishes = "宫保鸡丁";
                busy.setDishes(dishes);
            }
        };
        chef.start();
    }
}

执行后会发现程序会陷入永久的等待无法结束，这是因为notify()方法只唤醒众多等待的线程中的一个，拿到菜后本应唤醒顾客取走，但是有可能随机唤醒了另一个等待的厨师，没有顾客能取走服务员手中的菜，这时候程序就无法继续下去了。

解决的方法有两种：

1 把notify()改成notifyAll()，唤醒所有等待的线程

2 使用Java.util.concurrent库中的Condition，把等待的线程分为厨师和顾客两个集合，代码如下：

public class ConditionWaiter {

    private String dishes = null;
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition conConsumer = lock.newCondition();
    private Condition conChef = lock.newCondition();

    public String getDishes() {
        try {
            lock.lock();
            System.out.printf("顾客获得服务员锁%n");
            while(this.dishes == null) {
                try {
                    System.out.printf("顾客取菜,没有菜...顾客线程等待%n");
                    conConsumer.await();
                } catch(InterruptedException ex) {
                    ex.printStackTrace();
                }
            }
            String d = this.dishes;
            System.out.printf("顾客取走:%s%n", this.dishes);
            this.dishes = null;
            conChef.signal();
            System.out.printf("服务员通知正在等待的线程(厨师)%n");
            return d;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void setDishes(String dishes) {
        try {
            lock.lock();
            System.out.printf("厨师获得服务员锁%n");
            while(this.dishes != null) {
                try {
                    System.out.printf("厨师交菜,服务员已经端了另一份菜...厨师线程等待%n");
                    conChef.await();
                } catch(InterruptedException ex) {
                    ex.printStackTrace();
                }
            }
            this.dishes = dishes;
            System.out.printf("厨师交菜:%s%n", this.dishes);
            conConsumer.signal();
            System.out.printf("服务员通知正在等待的线程(顾客)%n");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ConditionWaiter busy = new ConditionWaiter();
        for(int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread consumer = new Thread() {
                public void run() {
                    busy.getDishes();
                }
            };
            consumer.start();
        }
        Thread.sleep(100);
        for(int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread chef = new Thread() {
                public void run() {
                    String dishes = "宫保鸡丁";
                    busy.setDishes(dishes);
                }
            };
            chef.start();
        }
    }
}

事实上，wait/notify机制编程模型复杂也运行低效，通常我们应该采取更高级的类库实现类似场景。以下代码是使用BlockingQueue实现线程协作的示例：

public class BlockingQueueWaiter {

    static BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(1);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for(int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread consumer = new Thread() {
                public void run() {
                    String dishes;
                    try {
                        System.out.printf("顾客尝试取菜%n");
                        dishes = queue.take();
                        System.out.printf("顾客取走:%s%n", dishes);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                }
            };
            consumer.start();
        }
        Thread.sleep(100);
        for(int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread chef = new Thread() {
                public void run() {
                    String dishes = "宫保鸡丁";
                    try {
                        System.out.printf("厨师尝试交菜%n");
                        queue.put(dishes);
                        System.out.printf("厨师交菜:%s%n", dishes);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }

                }
            };
            chef.start();
        }
    }
}