【并发基础】线程的通知与等待：obj.wait()、obj.notify()、obj.notifyAll()详解

目录

〇、先总结一下这三个方法带来的Java线程状态变化

一、obj.wait()

1.1 作用

1.2 使用前需要持有线程共享对象的锁

1.3 使用技巧

二、obj.notify(All)()

1.1 notify() 方法

1.1.1 调用notify()或notifyAll()不会释放线程的锁

1.2 notifyAll() 方法

1.3 使用技巧

三、使用实例

四、wait()/notify()/notifyAll() 为什么定义在 Object 类中？

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wait()、notify/notifyAll() 方法都是Object的本地final方法，无法被重写。

〇、先总结一下这三个方法带来的Java线程状态变化

当Java线程调用wait()方法后，该线程会进入等待队列，并且会释放占用的锁资源。线程状态会变为WAITING或TIMED_WAITING。该线程不会被挂起到外存，而是在内存中等待被唤醒。线程等待的条件通常是由其他线程调用notify()或notifyAll()方法来唤醒该线程。

当线程被唤醒时，它会重新尝试获取锁资源并从wait()方法返回。线程状态会变为BLOCKED，直到它获得了锁资源为止。如果成功获取锁资源，线程状态会变为RUNNABLE，然后可以继续执行。如果获取锁资源失败，则线程会继续等待，并且状态会维持在BLOCKED或WAITING或TIMED_WAITING状态，直到它再次被唤醒。

需要注意的是，线程在等待期间会消耗一定的资源，因此应该避免过多的线程等待。另外，线程在等待期间不会占用CPU时间片，因此可以减少CPU的利用率，提高系统的性能。

一、obj.wait()

1.1 作用

wait()是Object里面的方法，Object是所有对象的父类，即所有对象都可以调用wait()方法。wait方法还有可以传入等待时长的，可以让线程等待指定的时间后自动被唤醒。调用wait()会使Java线程进入到WAITING状态，调用wait(long time)会使Java线程进入到TIMED_WAITING状态。（WAITING和TIMED_WAITING状态就是阻塞状态）

当一个线程调用一个共享变量的wait()方法时，该线程会阻塞（等待）。直到发生以下几种情况才会恢复执行：

• 其他线程调用了该共享对象的 notify() 方法或者 notifyAll() 方法（继续往下走）
• 其他线程调用了该线程的 interrupt() 方法，该线程会 InterruptedException 异常返回

等待线程：假设调用的是obj对象的wait()方法，wait的执行线程，也就是被暂停的线程，就称为对象obj上的等待线程。对象的wait方法可能被不同的线程执行，所以同一个对象可能会有多个等待线程。

1.2 使用前需要持有线程共享对象的锁

在使用wait()、notify()和notifyAll()方法方法前，需要先持有锁。如果调用线程共享对象的wait()、notify()和notifyAll()方法的线程没有事先获取该对象的监视器锁，调用线程会抛出IllegalMonitorStateException 异常。当线程调用wait() 之后，就会释放该对象的监视器锁。

使用wait()、notify()和notifyAll()方法方法前，需要先持有锁：

• 表象：wait、notify(ALL)方法需要调用 monitor 对象
• 本质：Java的线程通信实质上是共享内存，而不是直接通信

那么，一个线程如何才能获取一个共享变量的监视器锁？

1、执行synchronized 同步代码块，使用该共享变量作为参数。

synchronized(共享变量) {// TODO
}

2、调用该共享变量的同步方法（synchronized 修饰）

synchronized void sum(int a, int b) {// TODO
}

 如下代码示例，线程A与线程B，在线程A中调用共享变量obj的wait()方法，在线程B中进行唤醒notify()。

/*** Object的Wati()方法的使用*/
@Slf4j
public class WaitTest {public static void main(String[] args) {// 定义一个共享变量Object obj = new Object();// 创建线程AThread threadA = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {log.info("线程" + Thread.currentThread().getName()+"开始执行");try {// 获取共享变量的对象锁synchronized(obj){// 线程A 等待log.info("线程" + Thread.currentThread().getName()+"等待");// 调用wait()，线程A阻塞，并且释放掉获取到的obj的对象锁obj.wait();}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}log.info("线程" + Thread.currentThread().getName()+"执行结束");}},"A");// 创建线程BThread threadB = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {log.info("线程" + Thread.currentThread().getName()+"开始执行");// 获取共享变量锁synchronized (obj){//  线程B 唤醒或者中断  调用obj的唤醒操作或者使A线程中断的操作都可以将正在阻塞的A线程唤醒log.info("线程" + Thread.currentThread().getName()+"唤醒");obj.notify(); // 唤醒操作// threadA.interrupted(); // 中断操作}log.info("线程" + Thread.currentThread().getName()+"执行结束");}},"B");// 启动线程AthreadA.start();try {// 等待200ms,让线程B获取资源，在这200ms期间A就被阻塞了，释放了obj对象锁Thread.sleep(200);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}// 启动线程BthreadB.start();}
}

执行结果：

线程A开始执行

线程B开始执行

线程B执行结束

线程A执行结束

可以看到主程序线程A启动之后，休眠了200ms让出cup执行权，线程B开始执行后调用notify()方法对阻塞线程A进行唤醒。

故：当一个线程调用一个共享变量的wait()方法时，该调用线程会被阻塞挂起，直到发生下面几件事情之一才返回：（1）其他线程调用了该共享对象的notify()或者notifyAll()方法；（2）其他线程调用了该线程的interrupt()方法，该线程抛出InterruptedException异常返回。

1.3 使用技巧

• wait()方法一般配合while使用
  • 被唤醒后会重新竞争锁，之后从上次wait位置重新运行
  • while 多次判断，防止在wait这段时间内对象被修改

二、obj.notify(All)()

notify()和notifyAll()方法也是Object里面的方法，Object是所有对象的父类，即所有对象都可以调用notify()和notifyAll()方法。但是线程中共享变量在调用这两个方法前，该线程需要获取到这个共享变量的锁才可以，否则会抛出异常。

1.1 notify() 方法

一个线程调用共享对象的 notify() 方法后，会唤醒一个在该共享变量上调用 wait(...) 系列方法后阻塞的线程。

通知线程：调用notify/notifyAll方法时所在的线程叫做通知线程。

1.1.1 调用notify()或notifyAll()不会释放线程的锁

当线程调用notify()或notifyAll()方法时，它不会释放掉线程持有的锁。

在Java中，每个对象都有一个相关联的锁，也称为监视器锁。当一个线程需要访问被该锁保护的对象时，它必须先获得该锁的所有权。所以只有获得锁的线程才能调用wait()、notify()和notifyAll()方法。

当线程调用notify()或notifyAll()方法时，它仅仅是唤醒等待在该对象上的一个或多个线程，以便它们可以继续执行。它不会释放线程持有的锁。因此，其他线程仍然无法访问被该锁保护的对象，直到调用notify()或notifyAll()方法的线程释放锁资源。

在多线程编程中，必须小心地管理锁，以避免死锁和竞争条件等问题。通常，为了确保线程安全和避免死锁，必须确保在访问共享资源时只有一个线程持有锁。当然，这也需要合理地使用wait()、notify()和notifyAll()方法来协调线程的执行顺序。

值得注意的是：

• 一个共享变量上可能会有多个线程在等待，notify()具体唤醒哪个等待的线程是随机的；
• 被唤醒的线程不能马上从wait()方法返回并继续执行，它必须在获取了共享对象的监视器锁后才可以返回，等到唤醒它的线程释放了共享变量上的监视器锁后，被唤醒的线程也不一定会获取到共享对象的监视器锁，这是因为该线程还需要和其他线程一起竞争该锁，只有该线程竞争到了共享变量的监视器锁后才可以继续执行；

1.2 notifyAll() 方法

notifyAll() 方法则会唤醒所有在该共享变量上由于调用wait系列方法而被挂起的线程。

1.3 使用技巧

尽量让notify / notifyAll()靠近临界区结束的地方。免得等待线程因为没有获得对象的锁，而又进入等待状态。

三、使用实例

比较经典的就是生产者和消费者的例子。

在生产者消费者模型中，推荐使用notifyAll，因为notify唤醒的线程不确定是生产者或消费者。

public class NotifyWaitDemo {// 共享变量队列的最大容量public static final int MAX_SIZE = 1024;// 共享变量public static Queue queue = new Queue();public static void main(String[] args) {// 生产者Thread producer = new Thread(() -> {// 获取共享变量的锁才能调用wait()方法synchronized (queue) {// 一般wait()都配合着while使用，因为线程唤醒后需要不断地轮循来尝试获取锁while (true) {// 当队列满了之后就挂起当前线程（生产者线程）// 并且，释放通过queue的监视器锁，让消费者对象获取到锁，执行消费逻辑if (queue.size() == MAX_SIZE) {try {// 阻塞生产者线程，并且使当前线程释放掉共享变量的锁queue.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}// 空闲则生成元素，并且通知消费线程queue.add();// 唤醒消费者来消费，建议用notifyAll()，因为notify()无法确定会唤醒哪一个线程queue.notifyAll();}}});// 消费者Thread consumer = new Thread(() -> {// 需要先获取锁synchronized (queue) {while (true) {// 当队列已经空了之后就挂起当前线程（消费者线程）// 并且，释放通过queue的监视器锁，让生产者对象获取到锁，执行生产逻辑if (queue.size() == 0) {try {// 阻塞消费者线程，并释放共享对象的锁queue.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}// 空闲则消费元素，并且通知生产线程queue.take();queue.notifyAll();}}});// 先执行生产者线程producer.start();try {// 将当前线程睡眠1000ms，让生产者先将队列生产满，然后wait阻塞起来，并且释放持有的锁。为了后续能执行消费者线程Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}// 执行消费者线程consumer.start();}// 共享变量static class Queue {private int size = 0;public int size() {return this.size;}// 生产操作public void add() {// TODOsize++;System.out.println("执行add 操作，current size: " +  size);}// 消费操作public void take() {// TODOsize--;System.out.println("执行take 操作，current size: " +  size);}}
}

 

四、wait()/notify()/notifyAll() 为什么定义在 Object 类中？

由于Thread类继承了Object类，所以Thread也可以调用者三个方法，等待和唤醒必须是同一个锁。而锁可以是任意对象，所以可以被任意对象调用的方法是定义在Object类中。

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