深入理解 Java 中的线程间通信：`wait()`, `notify()`, `notifyAll()`

引言

在多线程编程中，线程间通信是一个重要且复杂的主题。Java 提供了一套基本的机制来实现线程间通信，即使用 wait(), notify(), 和 notifyAll() 方法。这些方法由 Object 类提供，用于协调多个线程对共享资源的访问。本文将详细介绍这些方法的工作原理、使用场景以及一些实际示例。

基本概念

wait()

wait() 方法使当前线程进入等待状态，直到另一个线程调用 notify() 或 notifyAll() 方法唤醒它。调用 wait() 方法时，线程必须持有该对象的监视器锁（即必须在同步块或同步方法内调用 wait()）。

notify()

notify() 方法唤醒在此对象监视器上等待的单个线程。如果有多个线程在等待，则其中一个线程将被唤醒，具体哪个线程被唤醒取决于线程调度器的实现。

notifyAll()

notifyAll() 方法唤醒在此对象监视器上等待的所有线程。这些线程将竞争重新获得该对象的监视器锁，并继续执行。

使用场景

生产者-消费者模式

生产者-消费者模式是多线程编程中的经典问题。在这个模式中，生产者线程生成数据并将其放入共享缓冲区，而消费者线程从缓冲区中取出数据进行处理。为了避免缓冲区溢出和空取，生产者和消费者需要协调工作。

示例代码

生产者-消费者实现

以下是一个使用 wait() 和 notify() 实现的简单生产者-消费者示例：

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;class ProducerConsumer {private final Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();private final int MAX_SIZE = 10;public void produce() throws InterruptedException {int value = 0;while (true) {synchronized (this) {while (queue.size() == MAX_SIZE) {wait();}queue.add(value);System.out.println("Produced: " + value);value++;notify();Thread.sleep(100); // 模拟生产过程}}}public void consume() throws InterruptedException {while (true) {synchronized (this) {while (queue.isEmpty()) {wait();}int value = queue.poll();System.out.println("Consumed: " + value);notify();Thread.sleep(100); // 模拟消费过程}}}
}public class Main {public static void main(String[] args) {ProducerConsumer pc = new ProducerConsumer();Thread producerThread = new Thread(() -> {try {pc.produce();} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}});Thread consumerThread = new Thread(() -> {try {pc.consume();} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}});producerThread.start();consumerThread.start();}
}

代码解释

1. ProducerConsumer 类中定义了一个共享队列 queue 和一个最大容量 MAX_SIZE。
2. produce() 方法生成数据并将其放入队列。当队列已满时，调用 wait() 进入等待状态。
3. consume() 方法从队列中取出数据。当队列为空时，调用 wait() 进入等待状态。
4. 当生产者生产了一个数据后，调用 notify() 唤醒等待的消费者。消费者同样在消费了一个数据后调用 notify() 唤醒等待的生产者。

注意事项

在同步块或同步方法内使用

wait(), notify(), 和 notifyAll() 方法必须在同步块或同步方法内调用，因为它们需要持有对象的监视器锁。如果在非同步块或非同步方法内调用这些方法，将抛出 IllegalMonitorStateException 异常。

避免虚假唤醒

虚假唤醒（spurious wakeups）是指线程在没有收到 notify() 或 notifyAll() 通知的情况下被唤醒。因此，应该总是使用循环来调用 wait() 方法，而不是使用 if 语句：

synchronized (this) {while (condition) {wait();}// 执行代码
}

使用 notifyAll() 而非 notify()

在某些情况下，使用 notifyAll() 比 notify() 更安全，因为 notifyAll() 可以唤醒所有等待的线程，避免某些线程永远等待的情况。例如，在有多个生产者和消费者时，notifyAll() 更能确保公平性。

结论

通过使用 wait(), notify(), 和 notifyAll() 方法，Java 提供了基本的线程间通信机制，可以有效地解决线程间的协作问题。理解并正确使用这些方法，对于编写高效且安全的多线程程序至关重要。

希望本文能帮助你理解 Java 中的线程间通信机制及其应用场景。如果你有任何问题或建议，欢迎留言讨论。