Java编程的逻辑 (67) - 线程的基本协作机制 (上)

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上节介绍了多线程之间竞争访问同一个资源的问题及解决方案synchronized，我们提到，多线程之间除了竞争，还经常需要相互协作，本节就来介绍Java中多线程协作的基本机制wait/notify。

都有哪些场景需要协作？wait/notify是什么？如何使用？实现原理是什么？协作的核心是什么？如何实现各种典型的协作场景？由于内容较多，我们分为上下两节来介绍。

我们先来看看都有哪些协作的场景。

协作的场景

多线程之间需要协作的场景有很多，比如说：

• 生产者/消费者协作模式：这是一种常见的协作模式，生产者线程和消费者线程通过共享队列进行协作，生产者将数据或任务放到队列上，而消费者从队列上取数据或任务，如果队列长度有限，在队列满的时候，生产者需要等待，而在队列为空的时候，消费者需要等待。
• 同时开始：类似运动员比赛，在听到比赛开始枪响后同时开始，在一些程序，尤其是模拟仿真程序中，要求多个线程能同时开始。
• 等待结束：主从协作模式也是一种常见的协作模式，主线程将任务分解为若干个子任务，为每个子任务创建一个线程，主线程在继续执行其他任务之前需要等待每个子任务执行完毕。
• 异步结果：在主从协作模式中，主线程手工创建子线程的写法往往比较麻烦，一种常见的模式是将子线程的管理封装为异步调用，异步调用马上返回，但返回的不是最终的结果，而是一个一般称为Promise或Future的对象，通过它可以在随后获得最终的结果。
• 集合点：类似于学校或公司组团旅游，在旅游过程中有若干集合点，比如出发集合点，每个人从不同地方来到集合点，所有人到齐后进行下一项活动，在一些程序，比如并行迭代计算中，每个线程负责一部分计算，然后在集合点等待其他线程完成，所有线程到齐后，交换数据和计算结果，再进行下一次迭代。

我们会探讨如何实现这些协作场景，在此之前，我们先来了解协作的基本方法wait/notify。

wait/notify

我们知道，Java的根父类是Object，Java在Object类而非Thread类中，定义了一些线程协作的基本方法，使得每个对象都可以调用这些方法，这些方法有两类，一类是wait，另一类是notify。

主要有两个wait方法：

public final void wait() throws InterruptedException
public final native void wait(long timeout) throws InterruptedException;

一个带时间参数，单位是毫秒，表示最多等待这么长时间，参数为0表示无限期等待。一个不带时间参数，表示无限期等待，实际就是调用wait(0)。在等待期间都可以被中断，如果被中断，会抛出InterruptedException，关于中断及中断处理，我们在下节介绍，本节暂时忽略该异常。

wait实际上做了什么呢？它在等待什么？上节我们说过，每个对象都有一把锁和等待队列，一个线程在进入synchronized代码块时，会尝试获取锁，获取不到的话会把当前线程加入等待队列中，其实，除了用于锁的等待队列，每个对象还有另一个等待队列，表示条件队列，该队列用于线程间的协作。调用wait就会把当前线程放到条件队列上并阻塞，表示当前线程执行不下去了，它需要等待一个条件，这个条件它自己改变不了，需要其他线程改变。当其他线程改变了条件后，应该调用Object的notify方法：

public final native void notify();
public final native void notifyAll();

notify做的事情就是从条件队列中选一个线程，将其从队列中移除并唤醒，notifyAll和notify的区别是，它会移除条件队列中所有的线程并全部唤醒。

我们来看个简单的例子，一个线程启动后，在执行一项操作前，它需要等待主线程给它指令，收到指令后才执行，代码如下：

public class WaitThread extends Thread {
    private volatile boolean fire = false;

    @Override
    public void run() {
        try {
            synchronized (this) {
                while (!fire) {
                    wait();
                }
            }
            System.out.println("fired");
        } catch (InterruptedException e) {
        }
    }

    public synchronized void fire() {
        this.fire = true;
        notify();
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        WaitThread waitThread = new WaitThread();
        waitThread.start();
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("fire");
        waitThread.fire();
    }
}

示例代码中有两个线程，一个是主线程，一个是WaitThread，协作的条件变量是fire，WaitThread等待该变量变为true，在不为true的时候调用wait，主线程设置该变量并调用notify。

两个线程都要访问协作的变量fire，容易出现竞态条件，所以相关代码都需要被synchronized保护。实际上，wait/notify方法只能在synchronized代码块内被调用，如果调用wait/notify方法时，当前线程没有持有对象锁，会抛出异常java.lang.IllegalMonitorStateException。

你可能会有疑问，如果wait必须被synchronzied保护，那一个线程在wait时，另一个线程怎么可能调用同样被synchronzied保护的notify方法呢？它不需要等待锁吗？我们需要进一步理解wait的内部过程，虽然是在synchronzied方法内，但调用wait时，线程会释放对象锁，wait的具体过程是：

1. 把当前线程放入条件等待队列，释放对象锁，阻塞等待，线程状态变为WAITING或TIMED_WAITING
2. 等待时间到或被其他线程调用notify/notifyAll从条件队列中移除，这时，要重新竞争对象锁
   • 如果能够获得锁，线程状态变为RUNNABLE，并从wait调用中返回
   • 否则，该线程加入对象锁等待队列，线程状态变为BLOCKED，只有在获得锁后才会从wait调用中返回

线程从wait调用中返回后，不代表其等待的条件就一定成立了，它需要重新检查其等待的条件，一般的调用模式是：

synchronized (obj) {
    while (条件不成立)
        obj.wait();
    ... // 执行条件满足后的操作
}

比如，上例中的代码是：

synchronized (this) {
    while (!fire) {
        wait();
    }
}

调用notify会把在条件队列中等待的线程唤醒并从队列中移除，但它不会释放对象锁，也就是说，只有在包含notify的synchronzied代码块执行完后，等待的线程才会从wait调用中返回。

简单总结一下，wait/notify方法看上去很简单，但往往难以理解wait等的到底是什么，而notify通知的又是什么，我们需要知道，它们与一个共享的条件变量有关，这个条件变量是程序自己维护的，当条件不成立时，线程调用wait进入条件等待队列，另一个线程修改了条件变量后调用notify，调用wait的线程唤醒后需要重新检查条件变量。从多线程的角度看，它们围绕共享变量进行协作，从调用wait的线程角度看，它阻塞等待一个条件的成立。我们在设计多线程协作时，需要想清楚协作的共享变量和条件是什么，这是协作的核心。接下来，我们通过一些场景来进一步理解wait/notify的应用，本节只介绍生产者/消费者模式，下节介绍更多模式。

生产者/消费者模式

在生产者/消费者模式中，协作的共享变量是队列，生产者往队列上放数据，如果满了就wait，而消费者从队列上取数据，如果队列为空也wait。我们将队列作为单独的类进行设计，代码如下：

static class MyBlockingQueue<E> {
    private Queue<E> queue = null;
    private int limit;

    public MyBlockingQueue(int limit) {
        this.limit = limit;
        queue = new ArrayDeque<>(limit);
    }

    public synchronized void put(E e) throws InterruptedException {
        while (queue.size() == limit) {
            wait();
        }
        queue.add(e);
        notifyAll();
    }

    public synchronized E take() throws InterruptedException {
        while (queue.isEmpty()) {
            wait();
        }
        E e = queue.poll();
        notifyAll();
        return e;
    }
}

MyBlockingQueue是一个长度有限的队列，长度通过构造方法的参数进行传递，有两个方法put和take。put是给生产者使用的，往队列上放数据，满了就wait，放完之后调用notifyAll，通知可能的消费者。take是给消费者使用的，从队列中取数据，如果为空就wait，取完之后调用notifyAll，通知可能的生产者。

我们看到，put和take都调用了wait，但它们的目的是不同的，或者说，它们等待的条件是不一样的，put等待的是队列不为满，而take等待的是队列不为空，但它们都会加入相同的条件等待队列。由于条件不同但又使用相同的等待队列，所以要调用notifyAll而不能调用notify，因为notify只能唤醒一个线程，如果唤醒的是同类线程就起不到协调的作用。

只能有一个条件等待队列，这是Java wait/notify机制的局限性，这使得对于等待条件的分析变得复杂，后续章节我们会介绍显式的锁和条件，它可以解决该问题。

一个简单的生产者代码如下所示：

static class Producer extends Thread {
    MyBlockingQueue<String> queue;

    public Producer(MyBlockingQueue<String> queue) {
        this.queue = queue;
    }

    @Override
    public void run() {
        int num = 0;
        try {
            while (true) {
                String task = String.valueOf(num);
                queue.put(task);
                System.out.println("produce task " + task);
                num++;
                Thread.sleep((int) (Math.random() * 100));
            }
        } catch (InterruptedException e) {
        }
    }
}

Producer向共享队列中插入模拟的任务数据。一个简单的示例消费者代码如下所示：

static class Consumer extends Thread {
    MyBlockingQueue<String> queue;

    public Consumer(MyBlockingQueue<String> queue) {
        this.queue = queue;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            while (true) {
                String task = queue.take();
                System.out.println("handle task " + task);
                Thread.sleep((int)(Math.random()*100));
            }
        } catch (InterruptedException e) {
        }
    }
}

主程序的示例代码如下所示：

public static void main(String[] args) {
    MyBlockingQueue<String> queue = new MyBlockingQueue<>(10);
    new Producer(queue).start();
    new Consumer(queue).start();
}

运行该程序，会看到生产者和消费者线程的输出交替出现。

我们实现的MyBlockingQueue主要用于演示，Java提供了专门的阻塞队列实现，包括：

• 接口BlockingQueue和BlockingDeque
• 基于数组的实现类ArrayBlockingQueue
• 基于链表的实现类LinkedBlockingQueue和LinkedBlockingDeque
• 基于堆的实现类PriorityBlockingQueue

我们会在后续章节介绍这些类，在实际系统中，应该考虑使用这些类。

小结

本节介绍了Java中线程间协作的基本机制wait/notify，协作关键要想清楚协作的共享变量和条件是什么，为进一步理解，本节针对生产者/消费者模式演示了wait/notify的用法。

下一节，我们来继续探讨其他协作模式。

(与其他章节一样，本节所有代码位于 https://github.com/swiftma/program-logic)

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