等待唤醒机制

Posted 2020-11-27 anke-z

等待唤醒机制

1.1 线程间通信

概念：多个线程在处理同一个资源，但是处理的动作（线程的任务）却不相同。

比如：线程A用来生成包子的，线程B用来吃包子的，包子可以理解为同一资源，线程A与线程B处理的动作，一个是生产，一个是消费，那么线程A与线程B之间就存在线程通信问题。

为什么要处理线程间通信：

多个线程并发执行时, 在默认情况下CPU是随机切换线程的，当我们需要多个线程来共同完成一件任务，并且我们希望他们有规律的执行, 那么多线程之间需要一些协调通信，以此来帮我们达到多线程共同操作一份数据。

如何保证线程间通信有效利用资源：

多个线程在处理同一个资源，并且任务不同时，需要线程通信来帮助解决线程之间对同一个变量的使用或操作。 就是多个线程在操作同一份数据时， 避免对同一共享变量的争夺。也就是我们需要通过一定的手段使各个线程能有效的利用资源。而这种手段即—— 等待唤醒机制。

1.2 等待唤醒机制

什么是等待唤醒机制

这是多个线程间的一种协作机制。谈到线程我们经常想到的是线程间的竞争（race），比如去争夺锁，但这并不是故事的全部，线程间也会有协作机制。就好比在公司里你和你的同事们，你们可能存在在晋升时的竞争，但更多时候你们更多是一起合作以完成某些任务。

就是在一个线程进行了规定操作后，就进入等待状态（wait()）， 等待其他线程执行完他们的指定代码过后 再将其唤醒（notify()）;在有多个线程进行等待时， 如果需要，可以使用 notifyAll()来唤醒所有的等待线程。

wait/notify 就是线程间的一种协作机制。

等待唤醒中的方法

等待唤醒机制就是用于解决线程间通信的问题的，使用到的3个方法的含义如下：

1. wait：线程不再活动，不再参与调度，进入 wait set 中，因此不会浪费 CPU 资源，也不会去竞争锁了，这时的线程状态即是 WAITING。它还要等着别的线程执行一个特别的动作，也即是“通知（notify）”在这个对象上等待的线程从wait set 中释放出来，重新进入到调度队列（ready queue）中
2. notify：则选取所通知对象的 wait set 中的一个线程释放；例如，餐馆有空位置后，等候就餐最久的顾客最先入座。
3. notifyAll：则释放所通知对象的 wait set 上的全部线程。

注意：

哪怕只通知了一个等待的线程，被通知线程也不能立即恢复执行，因为它当初中断的地方是在同步块内，而此刻它已经不持有锁，所以她需要再次尝试去获取锁（很可能面临其它线程的竞争），成功后才能在当初调用 wait 方法之后的地方恢复执行。

总结如下：

• 如果能获取锁，线程就从 WAITING 状态变成 RUNNABLE 状态；
• 否则，从 wait set 出来，又进入 entry set，线程就从 WAITING 状态又变成 BLOCKED 状态

调用wait和notify方法需要注意的细节

1. wait方法与notify方法必须要由同一个锁对象调用。因为：对应的锁对象可以通过notify唤醒使用同一个锁对象调用的wait方法后的线程。
2. wait方法与notify方法是属于Object类的方法的。因为：锁对象可以是任意对象，而任意对象的所属类都是继承了Object类的。
3. wait方法与notify方法必须要在同步代码块或者是同步函数中使用。因为：必须要通过锁对象调用这2个方法。

1.3 生产者与消费者问题

等待唤醒机制其实就是经典的“生产者与消费者”的问题。

就拿生产包子消费包子来说等待唤醒机制如何有效利用资源：

包子铺线程生产包子，吃货线程消费包子。当包子没有时（包子状态为false），吃货线程等待，包子铺线程生产包子（即包子状态为true），并通知吃货线程（解除吃货的等待状态）,因为已经有包子了，那么包子铺线程进入等待状态。接下来，吃货线程能否进一步执行则取决于锁的获取情况。如果吃货获取到锁，那么就执行吃包子动作，包子吃完（包子状态为false），并通知包子铺线程（解除包子铺的等待状态）,吃货线程进入等待。包子铺线程能否进一步执行则取决于锁的获取情况。

示例代码：

资源类：包子类
设置包子的属性
皮
馅
包子的状态：有 true 没有 false

public class BaoZi {
    /**
     *  皮
     *  馅
     *  包子的状态：有true 没有false 初始值设为false没有包子
     */

    String pi;
    String xian;
    boolean flag = false;
}

生产者（包子铺）类：是一个线程类，可以继承Thread
设置线程任务（run）：生产包子
对包子的状态进行判断
true：有包子
包子铺调用wait方法进入等待状态
false：没有包子
包子铺生产包子
增加趣味性：生产两种包子
有两种状态（i%2 == 0）
包子铺生产好了包子
修改包子的状态为true 有
唤醒吃货线程，让吃货线程吃包子
注意：
包子铺线程和包子线程关系--->通信（互斥）
必须同时同步技术保证两个线程只能有一个在执行
锁对象必须保证唯一，可以使用包子对象作为锁对象
包子铺类和吃货的类就需要把包子对象作为参数传递进来
1.需要在成员位置创建一个包子变量
2.使用带参数构造方法，为这个包子变量赋值

public class BaoZiPu extends Thread{
    /**
     1.需要在成员位置创建一个包子变量
      */
    private BaoZi bz;
    // 2.使用带参数构造方法，为这个包子变量赋值
    public BaoZiPu(BaoZi bz){
        this.bz = bz;
    }
    // 设置线程任务（run）：生产包子
    @Override
    public void run(){
        // 定义一个变量
        int count = 0;
        // 让包子铺一直生产包子
        while (true){
            // 必须使用同步技术保证两个线程只能有一个在执行
            synchronized (bz){
                // 对包子的状态进行判断
                if (bz.flag == true){
                    try {
                        bz.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                // 被唤醒后执行，包子铺生产包子
                // 增加一些趣味性：交替生产两种包子
                if (count % 2==0){
                    // 生产  薄皮三鲜馅包子
                    bz.pi = "薄皮";
                    bz.xian = "三鲜馅";
                }else{
                    // 生产 冰皮牛肉大葱馅
                    bz.pi = "冰皮";
                    bz.xian="牛肉大葱馅";
                }
                count++;
                System.out.println("包子铺正在生产："+bz.pi+bz.xian+"包子");
                // 生产包子需要3秒钟
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                // 包子铺生产好了包子
                // 修改包子的状态为true 有
                bz.flag = true;
                // 唤醒吃货线程，让吃货吃包子
                bz.notify();
                System.out.println("包子铺已经生产好了："+bz.pi+bz.xian+"包子");
            }
        }
    }
}

消费者（吃货）类：是一个线程类，可以继承Thread
设置线程任务（run）：吃包子
对包子进行判断
false:没有包子
吃货调用wait（）方法进入等待状态
true：有包子
吃货吃包子
吃货吃完包子
修改包子状态为false没有
吃货唤醒包子铺线程，生产包子

public class ChiHuo extends Thread{
    // 1.需要在成员变量位置创建一个包子变量
    private BaoZi bz;
    // 2.使用带参数构造方法，为这个包子变量赋值
    public ChiHuo(BaoZi bz){
        this.bz = bz;
    }
    // 设置线程任务（run)：吃包子
    @Override
    public void run(){
        // 使用死循环，让吃货一致吃包子
        while (true){
            // 必须使用同步技术保证两个县城只有一个在执行
            synchronized (bz){
                // 对包子状态进行判断
                if (bz.flag == false){
                    try {
                        bz.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                // 唤醒之后执行的代码  吃包子
                System.out.println("吃货正在吃："+bz.pi+bz.xian+"的包子");
                // 吃货吃完了包子 修改包子的状态为false 没有
                bz.flag = false;
                // 吃货唤醒包子铺线程，生产包子
                bz.notify();
                System.out.println("吃货已经把："+bz.pi+bz.xian+"的包子吃完了，包子铺开始生产包子");
                System.out.println("------------------");
            }
        }
    }
}

测试类：
包含main方法，程序执行的入口，启动程序
创建包子对象
创建包子铺线程，开启生产包子
创建吃货线程吃包子

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        BaoZi bz = new BaoZi();
        new BaoZiPu(bz).start();
        new ChiHuo(bz).start();
    }
}

部分运行结果：
包子铺正在生产：薄皮三鲜馅包子
包子铺已经生产好了：薄皮三鲜馅包子
吃货正在吃：薄皮三鲜馅的包子
吃货已经把：薄皮三鲜馅的包子吃完了，包子铺开始生产包子

包子铺正在生产：冰皮牛肉大葱馅包子