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使用wait和notify

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在Java程序中,synchronized解决了多线程竞争的问题。例如,对于一个任务管理器,多个线程同时往队列中添加任务,可以用synchronized加锁:

class TaskQueue {
    Queue<String> queue = new LinkedList<>();

    public synchronized void addTask(String s) {
        this.queue.add(s);
    }
}

但是synchronized并没有解决多线程协调的问题。

仍然以上面的TaskQueue为例,我们再编写一个getTask()方法取出队列的第一个任务:

class TaskQueue {
    Queue<String> queue = new LinkedList<>();

    public synchronized void addTask(String s) {
        this.queue.add(s);
    }

    public synchronized String getTask() {
        while (queue.isEmpty()) {
        }
        return queue.remove();
    }
}

上述代码看上去没有问题:getTask()内部先判断队列是否为空,如果为空,就循环等待,直到另一个线程往队列中放入了一个任务,while()循环退出,就可以返回队列的元素了。

但实际上while()循环永远不会退出。因为线程在执行while()循环时,已经在getTask()入口获取了this锁,其他线程根本无法调用addTask(),因为addTask()执行条件也是获取this锁。

因此,执行上述代码,线程会在getTask()中因为死循环而100%占用CPU资源。

如果深入思考一下,我们想要的执行效果是:

  • 线程1可以调用addTask()不断往队列中添加任务;
  • 线程2可以调用getTask()从队列中获取任务。如果队列为空,则getTask()应该等待,直到队列中至少有一个任务时再返回。

因此,多线程协调运行的原则就是:当条件不满足时,线程进入等待状态;当条件满足时,线程被唤醒,继续执行任务。

对于上述TaskQueue,我们先改造getTask()方法,在条件不满足时,线程进入等待状态:

public synchronized String getTask() {
    while (queue.isEmpty()) {
        this.wait();
    }
    return queue.remove();
}

当一个线程执行到getTask()方法内部的while循环时,它必定已经获取到了this锁,此时,线程执行while条件判断,如果条件成立(队列为空),线程将执行this.wait(),进入等待状态。

这里的关键是:wait()方法必须在当前获取的锁对象上调用,这里获取的是this锁,因此调用this.wait()

调用wait()方法后,线程进入等待状态,wait()方法不会返回,直到将来某个时刻,线程从等待状态被其他线程唤醒后,wait()方法才会返回,然后,继续执行下一条语句。

有些仔细的童鞋会指出:即使线程在getTask()内部等待,其他线程如果拿不到this锁,照样无法执行addTask(),肿么办?

这个问题的关键就在于wait()方法的执行机制非常复杂。首先,它不是一个普通的Java方法,而是定义在Object类的一个native方法,也就是由JVM的C代码实现的。其次,必须在synchronized块中才能调用wait()方法,因为wait()方法调用时,会释放线程获得的锁,wait()方法返回后,线程又会重新试图获得锁。

因此,只能在锁对象上调用wait()方法。因为在getTask()中,我们获得了this锁,因此,只能在this对象上调用wait()方法:

public synchronized String getTask() {
    while (queue.isEmpty()) {
        // 释放this锁:
        this.wait();
        // 重新获取this锁
    }
    return queue.remove();
}

当一个线程在this.wait()等待时,它就会释放this锁,从而使得其他线程能够在addTask()方法获得this锁。

现在我们面临第二个问题:如何让等待的线程被重新唤醒,然后从wait()方法返回?答案是在相同的锁对象上调用notify()方法。我们修改addTask()如下:

public synchronized void addTask(String s) {
    this.queue.add(s);
    this.notify(); // 唤醒在this锁等待的线程
}

注意到在往队列中添加了任务后,线程立刻对this锁对象调用notify()方法,这个方法会唤醒一个正在this锁等待的线程(就是在getTask()中位于this.wait()的线程),从而使得等待线程从this.wait()方法返回。

我们来看一个完整的例子:

import java.util.*;
----
public class Main {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        var q = new TaskQueue();
        var ts = new ArrayList<Thread>();
        for (int i=0; i<5; i++) {
            var t = new Thread() {
                public void run() {
                    // 执行task:
                    while (true) {
                        try {
                            String s = q.getTask();
                            System.out.println("execute task: " + s);
                        } catch (InterruptedException e) {
                            return;
                        }
                    }
                }
            };
            t.start();
            ts.add(t);
        }
        var add = new Thread(() -> {
            for (int i=0; i<10; i++) {
                // 放入task:
                String s = "t-" + Math.random();
                System.out.println("add task: " + s);
                q.addTask(s);
                try { Thread.sleep(100); } catch(InterruptedException e) {}
            }
        });
        add.start();
        add.join();
        Thread.sleep(100);
        for (var t : ts) {
            t.interrupt();
        }
    }
}

class TaskQueue {
    Queue<String> queue = new LinkedList<>();

    public synchronized void addTask(String s) {
        this.queue.add(s);
        this.notifyAll();
    }

    public synchronized String getTask() throws InterruptedException {
        while (queue.isEmpty()) {
            this.wait();
        }
        return queue.remove();
    }
}

这个例子中,我们重点关注addTask()方法,内部调用了this.notifyAll()而不是this.notify(),使用notifyAll()将唤醒所有当前正在this锁等待的线程,而notify()只会唤醒其中一个(具体哪个依赖操作系统,有一定的随机性)。这是因为可能有多个线程正在getTask()方法内部的wait()中等待,使用notifyAll()将一次性全部唤醒。通常来说,notifyAll()更安全。有些时候,如果我们的代码逻辑考虑不周,用notify()会导致只唤醒了一个线程,而其他线程可能永远等待下去醒不过来了。

但是,注意到wait()方法返回时需要重新获得this锁。假设当前有3个线程被唤醒,唤醒后,首先要等待执行addTask()的线程结束此方法后,才能释放this锁,随后,这3个线程中只能有一个获取到this锁,剩下两个将继续等待。

再注意到我们在while()循环中调用wait(),而不是if语句:

public synchronized String getTask() throws InterruptedException {
    if (queue.isEmpty()) {
        this.wait();
    }
    return queue.remove();
}

这种写法实际上是错误的,因为线程被唤醒时,需要再次获取this锁。多个线程被唤醒后,只有一个线程能获取this锁,此刻,该线程执行queue.remove()可以获取到队列的元素,然而,剩下的线程如果获取this锁后执行queue.remove(),此刻队列可能已经没有任何元素了,所以,要始终在while循环中wait(),并且每次被唤醒后拿到this锁就必须再次判断:

while (queue.isEmpty()) {
    this.wait();
}

所以,正确编写多线程代码是非常困难的,需要仔细考虑的条件非常多,任何一个地方考虑不周,都会导致多线程运行时不正常。

multithread

小结

waitnotify用于多线程协调运行:

  • synchronized内部可以调用wait()使线程进入等待状态;

  • 必须在已获得的锁对象上调用wait()方法;

  • synchronized内部可以调用notify()notifyAll()唤醒其他等待线程;

  • 必须在已获得的锁对象上调用notify()notifyAll()方法;

  • 已唤醒的线程还需要重新获得锁后才能继续执行。


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