Java线程间通信机制 (等待唤醒机制)

news2024/12/23 13:31:44

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。比如：线程A用来生成包子的，线程B用来吃包子的，包子可以理解为同一资源，线程A与线程B处理的动作，一个是生产，一个是消费，那么线程A与线程B之间就存在线程通信问题。

为什么要处理线程间通信：

多个线程并发执行时, 在默认情况下CPU是随机切换线程的，当我们需要多个线程来共同完成一件任务，并且我们希望他们有规律的执行, 那么多线程之间需要一些协调通信，以此来帮我们达到多线程共同操作一份数据。

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。就是多个线程在操作同一份数据时，避免对同一共享变量的争夺。也就是我们需要通过一定的手段使各个线程能有效的利用资源。而这种手段即—— 等待唤醒机制。

1.2 等待唤醒机制

什么是等待唤醒机制

这是多个线程间的一种协作机制。谈到线程我们经常想到的是线程间的竞争（race），比如去争夺锁，但这并不是故事的全部，线程间也会有协作机制。就好比在公司里你和你的同事们，你们可能存在在晋升时的竞争，但更多时候你们更多是一起合作以完成某些任务。

就是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

等待唤醒机制就是用于解决线程间通信的问题的，使用到的3个方法的含义如下：

1. 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

2. notify：则选取所通知对象的 wait set 中的一个线程释放；例如，餐馆有空位置后，等候就餐最久的顾客最先入座。

3. notifyAll：则释放所通知对象的 wait set 上的全部线程。

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

1. 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。

2. 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。

3. 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。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。

就拿生产包子消费包子来说等待唤醒机制如何有效利用资源：

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。

代码演示：

包子资源类：

package com.hp.test1;
 
/**
 * 线程的共有的资源对象---- 包子
 */
public class BaoZi {
    String name;
    boolean flag;
}

吃货线程类：

package com.hp.test1;
 
public class ChiHuo extends Thread {
    //资源对象
    BaoZi baozi;
 
    //定义构造方法:给线程定义名字，同时给Baozi对象赋值
    public ChiHuo(String threadName,BaoZi bz){
        super(threadName);
        this.baozi = bz;
    }
 
    /**
     * chihuo线程的功能:
     *  如果包子不存在  线程进入等待状态
     * 如果包子存在  线程开始吃包子，吃完后更改包子的状态变为不存在唤醒zaocandian线程开始制作包子
     */
 
    @Override
    public void run() {
        //获取线程的名字
        String threadName = Thread.currentThread().getName();
        for (int i = 0; i <10; i++) {
            synchronized (baozi) {
                if (baozi.flag) {//包子存在
                    System.out.println(threadName + "正在吃" + baozi.name);//制造包子
                    baozi.flag = false;  //更改包子状态
                    baozi.notify();  //唤醒同一资源下的其他线程
                } else {//包子不存在
                    try {
                        baozi.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }
    }
}

包子铺线程类：

package com.hp.test1;
 
public class ZaoCanDian extends Thread{
    //资源对象
    BaoZi baozi;
 
    //定义构造方法:给线程定义名字，同时给Baozi对象赋值
    public ZaoCanDian(String threadName,BaoZi bz){
        super(threadName);
        this.baozi = bz;
    }
    /**
     * zaocandian线程的功能:
     *  如果包子存在  线程进入等待状态
     *  如果包子不存在  线程开始制作包子，制作完毕更改包子的状态为存在，唤醒chihuo线程吃包子
     */
    @Override
    public void run() {
        //获取线程的名字
        String threadName = Thread.currentThread().getName();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            synchronized (baozi) {
                if (baozi.flag) {//包子存在
                    try {
                        baozi.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                } else {//包子不存在
                    System.out.println(threadName + "制作" + baozi.name);//吃包子
                    baozi.flag = true; //更改包子状态
                    baozi.notify(); //唤醒同一资源下的其他线程
                }
            }
        }
    }
}

测试类：

package com.hp.test1;
 
public class ThreadTest1 {
    public static void main(String[] args) {
        BaoZi bz = new BaoZi();
        bz.name="小笼包";
        bz.flag=false;
 
        ChiHuo ch = new ChiHuo("猪八戒",bz);
        ZaoCanDian zcd = new ZaoCanDian("早餐店",bz);
 
        ch.start();
        zcd.start();
    }
 
}

运行如下：