19、Java并发 Java wait() 和 notify() 方法

大家有没有发现，其实「一文秒懂」系列讲述的都是多线程并发开发的问题。这个话题太大了，估计没有上百篇文章都解释不清楚。

本文，我们来讲解下 Java 并发中的基础的基础，核心的核心，Java 并发编程中的最基本的机制之一 – 「线程同步」

为了方便你理解并发编程中的各种概念和术语，我们首先会来一阵扫盲，讨论一些基本的并发相关术语和方法。接着，我们将开发一个简单的应用程序，并在合格应用程序里处理并发问题，以方便大家理解和巩固 wait() 和 notify()。

Java 中的线程同步 ( Thread Synchronization )

在并发编程中，在多线程环境下，多个线程可能会尝试修改同一资源。如果线程管理不当，这显然会导致一致性问题。

Java 中的哨兵块 ( guarded block )

Java 中，可以用来协调多个线程操作的一个工具是「哨兵块」。这个哨兵块会在恢复执行前检查特定条件。

基于这种哨兵检查的思想，Java 在所有类的基类 Object 中提供了两个方法

方法	说明
`Object.wait()`	暂停一个线程
`Object.notify()`	唤醒一个线程

是不是有点难以理解，别担心，看下面这个图，这个图描绘了线程的的生命周期。

虽然从上图中可以看出，有多个方法可以控制一个线程的生命周期，但本章节，我们只讨论 notify() 方法和 wait() 方法

wait() 方法

对照上图，简单的说，当我们调用 wait() 时会强制当前线程等待，直到某个其它线程在同一个对象上调用 notify() 或 notifyAll() 方法。

因此，当前线程必须拥有对象的监视器。根据 Java docs 的说法，这可能发生在

我们已经为给定对象执行了同步实例方法
我们已经在给定对象上执行了 synchronized 块的主体
通过为 Class 类型的对象执行同步静态方法

请注意，一次只有一个活动线程可以拥有对象的监视器。

除了无参数 wait() 方法外，Java 还重载了另一个 wait() 方法

wait() 方法

wait() 方法导致当前线程无限期地等待，直到另一个线程调用此对象的 notify() 或 notifyAll() 方法

wait(long timeout) 方法

使用此方法，我们可以指定一个超时，在此之后将自动唤醒线程。

当然了，我们可以在到达超时之前使用 notify() 或 notifyAll() 提前唤醒线程。

请注意，调用 wait(0) 与调用 wait() 相同

wait(long timeout, int nanos)

这是与wait(long timeout) 提供相同功能的签名，唯一的区别是我们可以提供更高的精度。

该方法计算超时之间的方式为：

总超时时间（以纳秒为单位）= 1_000_000 * 超时 + nanos

notify() 或 notifyAll() 方法

notify() 和 notifyAll() 方法用于唤醒等待访问此对象监视器的线程。

它们以不同的方式通知等待线程。

notify() 方法

对于在此对象的监视器上等待的所有线程（通过使用任何一个重载 wait() 方法），notify() 通知将会随机唤醒任何一个线程。

也就是说，我们并不能确切知道唤醒了哪个线程，这取决于实现。

因为notify() 提供了唤醒一个随机线程的机制，因此它可用于实现线程执行类似任务的互斥锁定。

但在大多数情况下，使用 notifyAll() 会是一个更可行的方案。

notifyAll() 方法

notifyAll() 方法用于唤醒正在此对象的监视器上等待的所有线程。唤醒的线程将以常规的方式完成 – 就像任何其他线程一样。

但，有一点要注意的是，对于任意一个线程，但在我们允许其继续执行之前，请始终快速检查继续执行该线程所需的条件。因为在某些情况下线程被唤醒而没有收到通知（这个场景将在后面的例子中讨论）

发送者 – 接收者同步问题

线程同步的问题，我们已经有了个大概的了解，接下来，我们看一个简单的 Sender-Receiver ( 发送者 – 接收者 ) 应用程序，这个应用程序将利用wait() 和 notify() 方法建立它们之间的同步。

发送者应该向接收者发送数据包
在发送方完成发送之前，接收方无法处理数据包
同样，发送方不得尝试发送另一个数据包，除非接收方已处理过上一个数据包

我们首先创建一个 Data 类，用于包含将从 Sender 发送到 Receiver 的数据包，同时，我们将使用 wait() 和 notifyAll() 来设置它们之间的同步。

public class Data {
    private String packet;

    // True if receiver should wait
    // False if sender should wait
    private boolean transfer = true;

    public synchronized void send(String packet) {
        while (!transfer) {
            try { 
                wait();
            } catch (InterruptedException e)  {
                Thread.currentThread().interrupt(); 
                Log.error("Thread interrupted", e); 
            }
        }
        transfer = false;

        this.packet = packet;
        notifyAll();
    }

    public synchronized String receive() {
        while (transfer) {
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e)  {
                Thread.currentThread().interrupt(); 
                Log.error("Thread interrupted", e); 
            }
        }
        transfer = true;

        notifyAll();
        return packet;
    }
}

范例有点小长，我们一步一步分析下代码

1、私有属性packet用于表示通过网络传输的数据；
2、布尔类型的私有属性transfer用于Sender和Receiver之间的同步；

 *  如果此变量为 true，则 Receiver 应等待 Sender 发送消息
 *  如果它是 false ，那么 Sender 应该等待 Receiver 接收消息

3、 Sender使用send()方法将数据发送给Receiver：；

 *  如果 transfer 为 false ，我们将在此线程上调用 wait()
 *  但如果它为 true ，我们需要切换状态，设置我们的消息并调用 notifyAll() 来唤醒其他线程以指定发生了重大事件，然后这些线程它们自己可以自查是否可以继续执行。

4、同样的，Receiver将使用receive()方法接收数据；

 *  如果 Sender 将传输设置为 false，那么继续，否则将在此线程上调用 wait()
 *  满足条件时，我们切换状态，通知所有等待的线程唤醒并返回 Receiver 的数据包

为什么在 while 循环中包含 wait()

由于notify() 和 notifyAll() 随机唤醒正在此对象监视器上等待的线程，因此满足条件并不总是很重要。有时可能会发生线程被唤醒，但实际上并没有满足条件。

当然了，跟进一步说，我们还可以定义一个检查来避免虚假唤醒 – 线程可以从等待中醒来而不会收到通知。

我们为什么需要同步 send() 和 receive() 方法

我们将这些方法放在 synchronized 方法是为了提供内部锁。

如果调用 wait() 方法的线程不拥有固有锁，则会抛出错误。

现在，是时候创建 Sender 和 Receiver 并在两者上实现 Runnable 接口，以便它们的实例可以由线程执行。

我们先来看看 Sender 将如何工作

public class Sender implements Runnable {
    private Data data;

    // standard constructors

    public void run() {
        String packets[] = {
          "First packet",
          "Second packet",
          "Third packet",
          "Fourth packet",
          "End"
        };

        for (String packet : packets) {
            data.send(packet);

            // Thread.sleep() to mimic heavy server-side processing
            try {
                Thread.sleep(ThreadLocalRandom.current().nextInt(1000, 5000));
            } catch (InterruptedException e)  {
                Thread.currentThread().interrupt(); 
                Log.error("Thread interrupted", e); 
            }
        }
    }
}

对于这个 Sender ：

我们正在创建一些随机数据包，这些数据包将通过网络以 packet[] 数组的形式发送
对于每个数据包，我们只是调用 send() 而不做其它动作
然后我们用随机时间间隔调用 Thread.sleep() 来模仿繁重的服务器端处理

接下来，我们来看看如何实现 Receiver

public class Receiver implements Runnable {
    private Data load;

    // standard constructors

    public void run() {
        for(String receivedMessage = load.receive();
          !"End".equals(receivedMessage);
          receivedMessage = load.receive()) {

            System.out.println(receivedMessage);

            // ...
            try {
                Thread.sleep(ThreadLocalRandom.current().nextInt(1000, 5000));
            } catch (InterruptedException e) {
                Thread.currentThread().interrupt(); 
                Log.error("Thread interrupted", e); 
            }
        }
    }
}

上面这段代码很简单，只是在循环中调用 load.receive() ，直到我们得到最后一个 “End” 数据包。

最后，我们就可以写一个 main() 方法来运行它们了

public static void main(String[] args) {
    Data data = new Data();
    Thread sender = new Thread(new Sender(data));
    Thread receiver = new Thread(new Receiver(data));

    sender.start();
    receiver.start();
}

运行范例，输出结果如下

First packet
Second packet
Third packet
Fourth packet

完美！

我们在这里 – 我们以正确的顺序接收所有数据包，并成功建立了发送方和接收方之间的正确通信。