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【Java】多线程系列05(线程等待与唤醒)

程序员文章站 2022-05-04 18:09:42
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1、wait(),notify(),notifyAll()等方法介绍

在Object.java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”)。

2、wait()和notify()示例

下面通过示例演示”wait()和notify()配合使用的情形”。

// WaitTest.java的源码
class ThreadA extends Thread{

    public ThreadA(String name) {
        super(name);
    }

    public void run() {
        synchronized (this) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" call notify()");
            // 唤醒当前的wait线程
            notify();
        }
    }
}

public class WaitTest {

    public static void main(String[] args) {

        ThreadA t1 = new ThreadA("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();
            }
        }
    }
}

运行结果:

main start t1
main wait()
t1 call notify()
main continue

结果说明:
如下图,说明了“主线程”和“线程t1”的流程。

(01)注意,图中”主线程” 代表“主线程main”。”线程t1” 代表WaitTest中启动的“线程t1”。 而“锁” 代表“t1这个对象的同步锁”。
(02)“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”。
(03)“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。
(04)“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”。
(05)“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。
【Java】多线程系列05(线程等待与唤醒)
对于上面的代码?曾经有个朋友问到过:t1.wait()应该是让“线程t1”等待;但是,为什么却是让“主线程main”等待了呢?
在解答该问题前,我们先看看jdk文档中关于wait的一段介绍:

引起“当前线程”等待,直到另外一个线程调用notify()或notifyAll()唤醒该线程。换句话说,这个方法和wait(0)的效果一样!(补充,对于wait(long millis)方法,当millis为0时,表示无限等待,直到被notify()或notifyAll()唤醒)。
“当前线程”在调用wait()时,必须拥有该对象的同步锁。该线程调用wait()之后,会释放该锁;然后一直等待直到“其它线程”调用对象的同步锁的notify()或notifyAll()方法。然后,该线程继续等待直到它重新获取“该对象的同步锁”,然后就可以接着运行。
**注意:**jdk的解释中,说wait()的作用是让“当前线程”等待,而“当前线程”是指正在cpu上运行的线程!
这也意味着,虽然t1.wait()是通过“线程t1”调用的wait()方法,但是调用t1.wait()的地方是在“主线程main”中。而主线程必须是“当前线程”,也就是运行状态,才可以执行t1.wait()。所以,此时的“当前线程”是“主线程main”!因此,t1.wait()是让“主线程”等待,而不是“线程t1”。

3、wait(long timeout)和notify()

wait(long timeout)会让当前线程处于“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”)。
下面的示例就是演示wait(long timeout)在超时情况下,线程被唤醒的情况。

// WaitTimeoutTest.java的源码
class ThreadA extends Thread{

    public ThreadA(String name) {
        super(name);
    }

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

public class WaitTimeoutTest {

    public static void main(String[] args) {

        ThreadA t1 = new ThreadA("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3000ms延时;然后才被唤醒。
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " call wait ");
                t1.wait(3000);

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

运行结果:

main start t1
main call wait 
t1 run                  // 大约3秒之后...输出“main continue”
main continue

结果说明:
如下图,说明了“主线程”和“线程t1”的流程。
(01)注意,图中”主线程” 代表WaitTimeoutTest主线程(即,线程main)。”线程t1” 代表WaitTest中启动的线程t1。 而“锁” 代表“t1这个对象的同步锁”。
(02)主线程main执行t1.start()启动“线程t1”。
(03)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。
(04)“线程t1”运行之后,进入了死循环,一直不断的运行。
(05)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”。
【Java】多线程系列05(线程等待与唤醒)

4、wait() 和 notifyAll()

通过前面的示例,我们知道 notify() 可以唤醒在此对象监视器上等待的单个线程。
下面,我们通过示例演示notifyAll()的用法;它的作用是唤醒在此对象监视器上等待的所有线程。

public class NotifyAllTest {

    private static Object obj = new Object();
    public static void main(String[] args) {

        ThreadA t1 = new ThreadA("t1");
        ThreadA t2 = new ThreadA("t2");
        ThreadA t3 = new ThreadA("t3");
        t1.start();
        t2.start();
        t3.start();

        try {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" sleep(3000)");
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        synchronized(obj) {
            // 主线程等待唤醒。
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" notifyAll()");
            obj.notifyAll();
        }
    }

    static class ThreadA extends Thread{

        public ThreadA(String name){
            super(name);
        }

        public void run() {
            synchronized (obj) {
                try {
                    // 打印输出结果
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " wait");

                    // 唤醒当前的wait线程
                    obj.wait();

                    // 打印输出结果
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " continue");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

运行结果:

t1 wait
main sleep(3000)
t3 wait
t2 wait
main notifyAll()
t2 continue
t3 continue
t1 continue

结果说明:
参考下面的流程图。
(01)主线程中新建并且启动了3个线程”t1”, “t2”和”t3”。
(02)主线程通过sleep(3000)休眠3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()或额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。
(03)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!
【Java】多线程系列05(线程等待与唤醒)

5、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。