彻底搞懂Java的等待-通知(wait-notify)机制

Posted 2022-12-05 未名胡

线程的生命周期转换

1、新建状态（New）：新建一个线程对象。

2、就绪/可运行状态（Runnable）：线程对象创建后，其他线程调用了该对象的start方法。该状态的线程位于可运行线程池中，变得可运行，等待获取CPU的使用权。

3、运行状态（Running）：就绪状态的线程获得CPU并执行程序代码。

4、阻塞状态（Blocked）：阻塞状态是线程因为某种原因放弃CPU使用权，暂时停止运行。直到线程进入就绪状态，才有机会转到运行状态。阻塞的情况分三种：

       1、等待阻塞：运行的线程执行wait方法，JVM会把该线程放入等待池中。(wait会释放持有的锁)

       2、同步阻塞：运行的线程在获取对象的同步锁时，若该同步锁被别的线程占用，则JVM会把该线程放入锁池中。

      3、其他阻塞：运行的线程执行sleep或join方法，或者发出了I/O请求时，JVM会把该线程置为阻塞状态。当sleep的状态超时、join等待线程终止或者超时、以及I/O处理完毕时，线程重新转入就绪状态。

5、死亡状态（Dead）：线程执行完成或者因异常退出run方法，该线程结束生命周期。

wait()与notify()
wait()：使调用该方法的线程释放共享资源锁，然后从运行状态退出，进入等待队列，直到被再次唤醒。

wait(long)：超时等待一段时间，这里的参数时间是毫秒，也就是等待长达n毫秒，如果没有通知就超时返回。

wait(long，int)：对于超时时间更细力度的控制，单位为纳秒。

notify()：随机唤醒等待队列中等待同一共享资源的一个线程，并使该线程退出等待队列，进入可运行状态，也就是notify()方法仅通知一个线程。

notifyAll()：使所有正在等待队列中等待同一共享资源的全部线程退出等待队列，进入可运行状态。此时，优先级最高的那个线程最先执行，但也有可能是随机执行，这取决于JVM虚拟机的实现。

什么是等待/通知机制
通俗来讲：

等待/通知机制在我们生活中很常见，一个形象的例子就是厨师和服务员之间就存在等待/通知机制。

厨师做完一道菜的时间是不确定的，所以菜到服务员手中的时间也是不确定的。

服务员就需要去“等待(wait)”。

厨师把菜做完之后，按一下铃进行“通知(nofity)”。

服务员听到铃声之后就知道菜做好了，就可以去端菜了。

使用专业术语讲：

等待/通知机制，是指线程A调用了对象O的wait()方法进入等待状态，而线程B调用了对象O的notify()/notifyAll()方法，线程A收到通知后退出等待队列，进入可运行状态，进而执行后续操作。上述两个线程通过对象O来完成交互，而对象上的wait()方法和notify()/notifyAll()方法的关系就如同开关信号一样，用来完成等待方和通知方之间的交互工作。

多线程轮流打印代码示例

通过一道面试题就能完全明白wait/notify机制。

问题：写两个线程，一个线程打印1-52，另一个线程打印A-Z，打印结果为12A34B...5152Z

class Print 
 
    private int flag = 1;//信号量。当值为1时打印数字，当值为2时打印字母
    private int count = 1;
 
    public synchronized void printNum() 
        if (flag != 1) 
            //打印数字
            try 
                wait();
             catch (InterruptedException e) 
                e.printStackTrace();
            
        
        System.out.print(2 * count - 1);
        System.out.print(2 * count);
        flag = 2;
        notify();
    
 
    public synchronized void printChar() 
        if (flag != 2) 
            //打印字母
            try 
                wait();
             catch (InterruptedException e) 
                e.printStackTrace();
            
        
        System.out.print((char) (count - 1 + 'A'));
        count++;//当一轮循环打印完之后，计数器加1
        flag = 1;
        notify();
    

 
public class Test 
    public static void main(String[] args) 
        Print print = new Print();
        new Thread(() -> 
            for (int i = 0; i < 26; i++) 
                print.printNum();
            
        ).start();
        new Thread(() -> 
            for (int i = 0; i < 26; i++) 
                print.printChar();
            
        ).start();
    

FAQ
wait、notify/notifyAll和sleep的区别与联系
前三个方法是Object的本地final方法，sleep方法是Thead类的静态方法。

wait使当前线程阻塞，前提是必须先获得锁，所以只能在synchronized锁范围内里使用wait、notify/notifyAll方法，而sleep可以在任何地方使用。

sleep必须捕获异常，而wait，notify和notifyAll不需要捕获异常。

notify和wait的顺序不能错，如果A线程先执行notify方法，B线程在执行wait方法，那么B线程是无法被唤醒的。

notify和notifyAll的区别
notify方法只唤醒一个等待（对象的）线程并使该线程开始执行。所以如果有多个线程等待一个对象，这个方法只会唤醒其中一个线程，选择哪个线程取决于操作系统对多线程管理的实现。

notifyAll会唤醒所有等待（对象的）线程，尽管哪一个线程将会第一个处理取决于操作系统的实现。如果当前情况下有多个线程需要被唤醒，推荐使用notifyAll方法。

sleep和wait的区别
当线程执行sleep方法时，不会释放当前的锁(如果当前线程进入了同步锁)，也不会让出CPU。sleep(milliseconds)可以用指定时间使它自动唤醒过来，如果时间不到只能调用interrupt方法强行打断。

当线程执行wait方法时，会释放当前的锁，然后让出CPU，进入等待状态。只有当notify/notifyAll被执行时候，才会唤醒一个或多个正处于等待状态的线程，然后继续往下执行，直到执行完synchronized代码块的代码或是中途遇到wait() ，再次释放锁。

Thread.Sleep(0)的作用是“触发操作系统立刻重新进行一次CPU竞争”

notify/notifyAll的执行只是唤醒沉睡的线程，而不会立即释放锁，必须执行完notify()方法所在的synchronized代码块后才释放。所以在编程中，尽量在使用了notify/notifyAll()后立即退出临界区。

改变线程优先级
每个线程执行时都具有一定的优先级，优先级高的线程获得较多的执行机会，而优先级低的线程则获得较少的执行机会。每个线程默认的优先级都与创建它的父线程的优先级相同。Thread类提供了setPriority(int newPriority)来设置指定线程的优先级，提供了getPriority()来返回指定线程的优先级。

JAVA提供了10个优先级级别，但这些优先级需要操作系统支持。不同的操作系统上的优先级并不相同，而且也不能很好的和JAVA的10个优先级对应，比如：Windows 2000仅提供了7个优先级。因此，写代码的时候应该尽量避免直接为线程指定优先级，而应该使用MAX_PRIORITY、MIN_PRIORITY、NORM_PRIORITY这三个静态常量来设置优先级，这样才能保证程序有最好的可移植性。

一个线程两次调用start方法会出现什么情况？
Java的线程是不允许启动两次的，第二次调用必然会抛出IllegalThreadStateException，这是一种运行时异常。

park()与unpark()
concurrent包是基于AQS(AbstractQueuedSynchronizer)框架的，AQS框架借助于两个类：

Unsafe（提供CAS操作）

LockSupport（提供park/unpark操作）

LockSupport.park()和LockSupport.unpark(Thread thread)调用的是Unsafe中的native代码。

有关AQS，可以查看笔者之前的博客，快速了解基于AQS实现的Java并发工具类

park与unpark的特点
park/unpark的设计原理核心是“许可”(permit)：park是等待一个许可，unpark是为某线程提供一个许可。permit不能叠加，也就是说permit的个数要么是0，要么是1。也就是不管连续调用多少次unpark，permit也是1个。线程调用一次park就会消耗掉permit，再一次调用park又会阻塞住。如果某线程A调用park，那么除非另外一个线程调用unpark(A)给A一个许可，否则线程A将阻塞在park操作上。

unpark可以先于park调用。在使用park和unpark的时候可以不用担心park的时序问题造成死锁。相比之下，wait/notify存在时序问题，wait必须在notify调用之前调用，否则虽然另一个线程调用了notify，但是由于在wait之前调用了，wait感知不到，就造成wait永远在阻塞。

park和unpark调用的时候不需要获取同步锁。

park与unpark的优点
与Object类的wait/notify机制相比，park/unpark有两个优点：

以thread为操作对象更符合阻塞线程的直观定义。

操作更精准，可以准确地唤醒某一个线程（notify随机唤醒一个线程，notifyAll唤醒所有等待的线程），增加了灵活性。

底层实现原理
在Linux系统下，是用的Posix线程库pthread中的mutex（互斥量），condition（条件变量）来实现的。
mutex和condition保护了一个_counter的变量，当park时，这个变量被设置为0，当unpark时，这个变量被设置为1。