JAVA多线程等待唤醒机制

news2024/12/30 2:42:08

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为什么要处理线程间通信：

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通信机制，可以协调它们的工作，以此实现多线程共同操作一份数据。

比如：线程A用来生产包子的，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，此时B线程必须等到A线程完成后才能执行，那么线程A与线程B之间就需要线程通信，即—— 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。

等待唤醒机制（Wait-Notify Mechanism）是一种用于多线程环境中的同步策略，主要用于实现线程间的通信和同步。这种机制允许一个线程（或多个线程）在特定条件未满足时暂停其执行（等待状态），而当条件满足时，另一个线程可以通知处于等待状态的线程恢复执行（唤醒操作)。等待唤醒机制是多线程编程中的一个核心概念，有助于保证线程安全和资源的有效利用。

主要组成部分

等待唤醒机制主要包括以下几个部分：

Wait(): 当一个线程调用对象的 wait() 方法时，它会释放当前持有的锁，并进入等待状态，直到其他线程通过 notify() 或 notifyAll() 方法来唤醒它。
wait(long timeout)

这种方法会在指定的时间后自动唤醒线程，即使没有调用 notify() 方法。
唤醒 (Notify): 当条件满足时，线程可以通过调用对象的 notify() 或 notifyAll() 方法来通知一个或所有处于等待状态的线程，使它们可以重新获取锁并继续执行。

区分sleep()和wait()

相同点：一旦执行，都会使得当前线程结束执行状态，进入阻塞状态。

不同点：

① 定义方法所属的类：sleep():Thread中定义。 wait():Object中定义

② 使用范围的不同：sleep()可以在任何需要使用的位置被调用； wait():必须使用在同步代码块或同步方法中

③ 都在同步结构中使用的时候，是否释放同步监视器的操作不同：sleep():不会释放同步监视器 ;wait():会释放同步监视器

④ 结束等待的方式不同：sleep()：指定时间一到就结束阻塞。 wait():可以指定时间也可以无限等待直到notify或notifyAll。

1. 使用 `wait()` 和 `notify()`

这是最基本的等待唤醒机制，它们定义在 Object 类中，因此任何对象都可以作为锁对象使用。

public synchronized void doSomething() {
    while (!someCondition) {
        try {
            this.wait();
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
            // 处理中断
        }
    }
    // 执行操作
}

public synchronized void changeCondition() {
    someCondition = true;
    this.notify(); // 唤醒一个等待的线程
}

2. 使用 `wait(long timeout)`

这种方法会在指定的时间后自动唤醒线程，即使没有调用 notify() 方法。

public synchronized void doSomething() {
    long start = System.currentTimeMillis();
    while (!someCondition) {
        try {
            long timeout = someConditionTimeout - (System.currentTimeMillis() - start);
            if (timeout > 0) {
                this.wait(timeout);
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
            // 处理中断
        }
    }
    // 执行操作
}

3. 使用 `Condition` 接口

Condition 是 java.util.concurrent.locks 包中提供的高级同步工具，可以更灵活地控制线程间的同步。

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private final Condition condition = lock.newCondition();
private boolean someCondition = false;

public void doSomething() {
    lock.lock();
    try {
        while (!someCondition) {
            condition.await();
        }
        // 执行操作
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

public void changeCondition() {
    lock.lock();
    try {
        someCondition = true;
        condition.signal(); // 唤醒一个等待的线程
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

4. 使用 `LockSupport`

LockSupport 类提供了一种不同的线程阻塞和唤醒机制，可以更精细地控制线程。

import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

public void doSomething() {
    while (!someCondition) {
        LockSupport.park(this); // 阻塞当前线程
    }
    // 执行操作
}

public void changeCondition() {
    someCondition = true;
    LockSupport.unpark(Thread.currentThread()); // 唤醒线程
}

注意事项

锁的作用域：wait() 和 notify() 必须在同步代码块或同步方法中调用。
中断响应：线程在等待时可能会被中断，需要适当地处理 InterruptedException。
锁对象一致性：wait() 和 notify() 必须由同一个锁对象调用。
避免死锁：确保线程按照一致的顺序获取锁，防止死锁发生。
正确使用 notifyAll()：如果使用 notifyAll()，所有等待线程都会有机会获得锁，但不一定所有线程都能继续执行，因为锁只有一把。