Java 多线程基础（六）线程等待与唤醒

Java 多线程基础（六）线程等待与唤醒

遇到这样一个场景，当某线程里面的逻辑需要等待异步处理结果返回后才能继续执行。或者说想要把一个异步的操作封装成一个同步的过程。这里就用到了线程等待唤醒机制。

一、wait()、notify()、notifyAll() 等方法介绍

在 Object 中，定义了 wait()、notify() 和 notifyAll() 等接口。wait() 的作用是让当前线程进入等待状态，同时，wait() 也会让当前线程释放它所持有的锁。而 notify() 和 notifyAll() 的作用，则是唤醒当前对象上的等待线程；notify() 是唤醒单个线程，而 notifyAll() 是唤醒所有的线程。

Object类中关于等待/唤醒的API详细信息如下：

notify()                                       -- 唤醒在此对象监视器上等待的单个线程。
notifyAll()                                  -- 唤醒在此对象监视器上等待的所有线程。
wait()                                         -- 让当前线程处于“等待(阻塞)状态”，“直到其他线程调用此对象的 notify() 方法或 notifyAll() 方法”，当前线程被唤醒(进入“就绪状态”)。
wait(long timeout)                    -- 让当前线程处于“等待(阻塞)状态”，“直到其他线程调用此对象的 notify() 方法或 notifyAll() 方法，或者超过指定的时间量”，当前线程被唤醒(进入“就绪状态”)。
wait(long timeout, int nanos)  -- 让当前线程处于“等待(阻塞)状态”，“直到其他线程调用此对象的 notify() 方法或 notifyAll() 方法，或者其他某个线程中断当前线程，或者已超过某个实际时间量”，当前线程被唤醒(进入“就绪状态”)。

二、wait() 和 notify() 示例

public class Demo02 {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new MyThread("t1");
        synchronized (t1) {
            try {
                // 启动“线程t1”
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" start t1");
                t1.start();
                // 主线程等待t1通过notify()唤醒。
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" wait()");
                t1.wait();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" continue");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
class MyThread extends Thread{
    public MyThread(String name) {
        super(name);
    }
    @Override
    public void run() {
        synchronized (this) {
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" call notify()");
                notify(); // 唤醒当前的Demo02线程
            }catch(Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

// 运行结果
main start t1
main wait()
t1 call notify()
main continue

说明：

①、 注意，图中"主线程" 代表“主线程main”。"线程t1" 代表Demo02中启动的“线程t1”。 而“锁” 代表“t1这个对象的同步锁”。
②、“主线程”通过 new ThreadA("t1") 新建“线程t1”。随后通过synchronized(t1)获取“t1对象的同步锁”。然后调用t1.start()启动“线程t1”。
③、“主线程”执行t1.wait() 释放“t1对象的锁”并且进入“等待(阻塞)状态”。等待t1对象上的线程通过notify() 或 notifyAll()将其唤醒。
④、“线程t1”运行之后，通过synchronized(this)获取“当前对象的锁”；接着调用notify()唤醒“当前对象上的等待线程”，也就是唤醒“主线程”。
⑤、“线程t1”运行完毕之后，释放“当前对象的锁”。紧接着，“主线程”获取“t1对象的锁”，然后接着运行。

具体过程图解

三、wait(long timeout) 和 notify()

public class Demo02 {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new MyThread("t1");

        synchronized(t1) {
            try {
                // 启动线程t1
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " start t1");
                t1.start();

                // 主线程等待t1通过notify()唤醒 或 notifyAll()唤醒，或超过3s延时；然后才被唤醒。
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " call wait ");
                t1.wait();

                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " continue");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

    }
}
class MyThread extends Thread{
    public MyThread(String name) {
        super(name);
    }
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run ");
        // 死循环，不断运行。
        while(true)
            ;
    }
}

// 运行结果
main start t1
main call wait
t1 run             // 3秒后输出 main continue
main continue 

说明：

如下图，说明了“主线程”和“线程t1”的流程。
①、注意，图中"主线程" 代表线程main。"线程t1" 代表MyThread中启动的线程t1。 而“锁” 代表“t1这个对象的同步锁”。
②、主线程main执行t1.start()启动“线程t1”。
③、主线程main执行t1.wait(3000)，此时，主线程进入“阻塞状态”。需要“用于t1对象锁的线程通过notify() 或者 notifyAll()将其唤醒” 或者 “超时3000ms之后”，主线程main才进入到“就绪状态”，然后才可以运行。
④、“线程t1”运行之后，进入了死循环，一直不断的运行。
⑤、超时3000ms之后，主线程main会进入到“就绪状态”，然后接着进入“运行状态”。

 具体过程图解：

四、wait() 和 notifyAll()

public class Demo02 {
    private static Object obj = new Object();
    public static void main(String[] args) {
        MyThread t1 = new MyThread("t1");
        MyThread t2 = new MyThread("t2");
        MyThread t3 = new MyThread("t3");
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();
        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" sleep(5000)");
            Thread.sleep(5000); // 休眠5秒
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        synchronized (obj) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" notifyAll()");
            obj.notifyAll();
        }

    }
    static class MyThread extends Thread{
        public MyThread(String name) {
            super(name);
        }
        public void run() {
            synchronized (obj) {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run ");
                    obj.wait();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " continue");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

// 运行结果
t1 run
t2 run
main sleep(5000)
t3 run
main notifyAll()
t3 continue
t2 continue
t1 continue

说明：

①、 主线程中新建并且启动了3个线程"t1", "t2"和"t3"。
②、主线程通过sleep(5000)休眠5秒。在主线程休眠3秒的过程中，我们假设"t1", "t2"和"t3"这3个线程都运行了。以"t1"为例，当它运行的时候，它会执行obj.wait()等待其它线程通过notify()或nofityAll()来唤醒它；相同的道理，"t2"和"t3"也会等待其它线程通过nofity()或nofityAll()来唤醒它们。
③、主线程休眠3秒之后，接着运行。执行 obj.notifyAll() 唤醒obj上的等待线程，即唤醒"t1", "t2"和"t3"这3个线程。 紧接着，主线程的synchronized(obj)运行完毕之后，主线程释放“obj锁”。这样，"t1", "t2"和"t3"就可以获取“obj锁”而继续运行了！

具体过程图解

五、 为什么notify(), wait()等函数定义在Object中，而不是Thread中

Object中的wait(), notify()等函数，和synchronized一样，会对“对象的同步锁”进行操作。

wait()会使“当前线程”等待，因为线程进入等待状态，所以线程应该释放它锁持有的“同步锁”，否则其它线程获取不到该“同步锁”而无法运行！
OK，线程调用wait()之后，会释放它锁持有的“同步锁”；而且，根据前面的介绍，我们知道：等待线程可以被notify()或notifyAll()唤醒。现在，请思考一个问题：notify()是依据什么唤醒等待线程的？或者说，wait()等待线程和notify()之间是通过什么关联起来的？答案是：依据“对象的同步锁”。

负责唤醒等待线程的那个线程(我们称为“唤醒线程”)，它只有在获取“该对象的同步锁”(这里的同步锁必须和等待线程的同步锁是同一个)，并且调用notify()或notifyAll()方法之后，才能唤醒等待线程。虽然，等待线程被唤醒；但是，它不能立刻执行，因为唤醒线程还持有“该对象的同步锁”。必须等到唤醒线程释放了“对象的同步锁”之后，等待线程才能获取到“对象的同步锁”进而继续运行。

总之，notify(), wait()依赖于“同步锁”，而“同步锁”是对象锁持有，并且每个对象有且仅有一个！这就是为什么notify(), wait()等函数定义在Object类，而不是Thread类中的原因。