Java多线程之等待唤醒机制

1 等待唤醒机制

1.1 线程间通信

概念：多个线程在处理同一个资源，但是处理的动作（线程的任务）却不相同。

• 为何要处理线程之间的通讯？

​ 让多线程在访问同一份资源时按照一定的规律进行。

• 如何保证线程间通信有效利用资源：

​ 多个线程在处理同一个资源，并且任务不同时，需要线程通信来帮助解决线程之间对同一个变量的使用或操作，避免对同一共享变量的争夺————等待唤醒机制

1.2 等待唤醒机制

等待唤醒机制

• 是多个线程间的一种协作机制
• 在一个线程进行了规定操作后，就进入等待状态（wait()）， 等待其他线程执行完他们的指定代码过后 再将其唤醒（notify()）;在有多个线程进行等待时， 如果需要，可以使用 notifyAll()来唤醒所有的等待线程。
• wait/notify 就是线程间的一种协作机制。

等待唤醒中的方法

• wait：线程不再活动，不再参与调度，进入 wait set 中，因此不会浪费 CPU 资源，也不会去竞争锁了，这时的线程状态即是 WAITING。它还要等着别的线程执行一个特别的动作，也即是“通知（notify）”在这个对象上等待的线程从wait set 中释放出来，重新进入到调度队列（ready queue）中
• wait(long timeout)：等待指定的毫秒数
• notify：则选取所通知对象的 wait set 中的一个线程释放；例如，餐馆有空位后，等候就餐最久的顾客最先入座。
• notifyAll：则释放所通知对象的 wait set 上的全部线程，优先级别高的线程优先调度。

注意：

哪怕只通知了一个等待的线程，被通知线程也不能立即恢复执行，因为它当初中断的地方是在同步块内，而此刻它已经不持有锁，所以她需要再次尝试去获取锁（很可能面临其它线程的竞争），成功后才能在当初调用 wait 方法之后的地方恢复执行。

总结如下：

• 如果能获取锁，线程就从 WAITING 状态变成 RUNNABLE 状态；
• 否则，从 wait set 出来，又进入 entry set，线程就从 WAITING 状态又变成 BLOCKED 状态

调用wait和notify方法需要注意的细节

• wait方法与notify方法必须要由同一个锁对象调用。因为：对应的锁对象可以通过notify唤醒使用同一个锁对象调用的wait方法后的线程。
• wait方法与notify方法是属于Object类的方法的。因为：锁对象可以是任意对象，而任意对象的所属类都是继承了Object类的。
• wait方法与notify方法必须要在同步代码块或者是同步函数中使用，否则会抛出异常IIlegalMonitorStateException。因为：必须要通过锁对象调用这2个方法。

1.3 生产者与消费者问题

等待唤醒机制其实就是经典的“生产者与消费者”的问题。

生产者和消费者共享同一个资源，并且生产者和消费者之间相互依赖，互为条件

• 对于生产者，没有生产产品之前，要通知消费者等待。而生产产品之后，又要马上通知消费者消费
• 对于消费者，在消费之后，要通知生产者已经结束消费，需要生产新的产品以供消费

解决方法：线程同步+线程通讯

1.3.1 信号灯法（通过标志位）

• 包子铺线程生产包子，吃货线程消费包子。当包子没有时（包子状态为false），吃货线程等待，包子铺线程生产包子（即包子状态为true），并通知吃货线程（解除吃货的等待状态）,因为已经有包子了，那么包子铺线程进入等待状态。接下来，吃货线程能否进一步执行则取决于锁的获取情况。如果吃货获取到锁，那么就执行吃包子动作，包子吃完（包子状态为false），并通知包子铺线程（解除包子铺的等待状态）,吃货线程进入等待。包子铺线程能否进一步执行则取决于锁的获取情况。

//资源
public class Baozi {
    private String pier;
    private String xianer;
    private boolean flag = false;//包子资源，是否存在
    public Baozi() {
    }
    public Baozi(String pier, String xianer) {
        this.pier = pier;
        this.xianer = xianer;
    }
    public String getPier() {
        return pier;
    }
    public void setPier(String pier) {
        this.pier = pier;
    }
    public String getXianer() {
        return xianer;
    }
    public void setXianer(String xianer) {
        this.xianer = xianer;
    }
    public boolean isFlag() {
        return flag;
    }
    public void setFlag(boolean flag) {
        this.flag = flag;
    }
}
//消费者
public class ChiHuo extends Thread {
    private Baozi bz;
    public ChiHuo(String name, Baozi bz) {
        super(name);
        this.bz = bz;
    }
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (bz) {
                if (bz.isFlag() == false) {
                    try {
                        bz.wait();//吃货等待
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                System.out.println("吃货正在吃" + bz.getPier() + bz.getXianer() + "包子！");
                System.out.println("包子吃完了！");
                bz.setFlag(false);
                bz.notify();//唤醒包子铺
            }
        }
    }
}
//生产者
public class BaoZiPu extends Thread {
    private Baozi bz;
    public BaoZiPu(String name, Baozi bz) {
        super(name);
        this.bz = bz;
    }
    @Override
    public void run() {
        int count = 0;
        while (true) {
            synchronized (bz) {
                if (bz.isFlag()) {
                    try {
                        bz.wait();//包子铺停止生产
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                System.out.println("包子铺开始做包子");
                if (count % 2 == 0) {
                    bz.setPier("冰皮");
                    bz.setXianer("五仁");
                } else {
                    bz.setPier("薄皮");
                    bz.setXianer("牛肉大葱");
                }
                count++;
                bz.setFlag(true);
                System.out.println("包子造好了：" + bz.getPier() + bz.getXianer());
                System.out.println("吃货来吃包子吧");
                bz.notify();//唤醒吃货吃包子
            }
        }
    }
}
public class BaoZiTest {
    public static void main(String[] args) {
        Baozi bz = new Baozi();
        BaoZiPu bzp = new BaoZiPu("包子铺", bz);
        ChiHuo ch = new ChiHuo("吃货", bz);
        bzp.start();
        ch.start();
    }
}
/*
包子铺开始做包子
包子造好了：冰皮五仁
吃货来吃包子吧
吃货正在吃冰皮五仁包子！
包子吃完了！
包子铺开始做包子
包子造好了：薄皮牛肉大葱
吃货来吃包子吧
吃货正在吃薄皮牛肉大葱包子！
包子吃完了！
包子铺开始做包子
*/

1.3.2 管程法

• 生产者：负责生产数据的模块(可能是方法、对象、线程、进程)

• 消费者：负责处理数据的模块(可能是方法、对象、线程、进程)

• 缓冲区：消费者不能直接使用生产者的数据，他们之间有个“缓冲区”，生产者将生产好的数据放入缓冲区，消费者从缓冲区拿出数据

//生产者、消费者、产品、容器
public class PCThread {
    public static void main(String[] args) {
        SynContainer container = new SynContainer();

        new Provider(container).start();
        new Consumer(container).start();
    }
}

//生产者
class Provider extends Thread {
    SynContainer container;

    public Provider(SynContainer container) {
        this.container = container;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 1; i <= 100; i++) {
            System.out.println("生产者生产第" + i + "只鸡");
            container.push(new Chicken(i));
        }
    }
}

//消费者
class Consumer extends Thread {
    SynContainer container;

    public Consumer(SynContainer container) {
        this.container = container;
    }
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println("消费者消费第" + container.pop().id + "只鸡");
        }

    }
}

//资源 鸡
class Chicken {
    int id;

    public Chicken(int id) {
        this.id = id;
    }
}

//缓冲区 容器
class SynContainer {
    //容器大小
    Chicken[] chickens = new Chicken[10];
    //容器计数器
    int count;

    //生产者放入产品
    public synchronized void push(Chicken chicken) {
        //容器满了，生产者停止生产，等待消费者消费
        if (count == chickens.length) {
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        //没满，则放入产品
        chickens[count] = chicken;
        count++;
        //通知消费者消费
        this.notifyAll();
    }

    //消费者消费产品
    public synchronized Chicken pop() {
        //判断能否消费
        if (count == 0) {
            //消费者等待生产者生产
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        //可以消费
        count--;
        Chicken chicken = chickens[count];

        //吃完了通知生产者生产
        this.notifyAll();
        return chicken;
    }
 }