java 等待怎么实现 java 循环等待

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mob6454cc6aeeaf 2023-08-02 09:42:11

文章标签 java 等待怎么实现线程协调等待通知机制 Java多线程等待队列 文章分类 Java 后端开发

1、线程循环等待的弊端

2、用 synchronized 实现等待 - 通知机制（Guarded Blocks）

3、使用Guarded Blocks，构建一个更好地资源分配器

4、尽量使用 notifyAll()的原因

5、wait()和sleep()区别

6、附：什么是 Guarded Blocks（代码保护块）？

1、线程循环等待的弊端

上一篇文章，在破坏占用且等待条件的时候，如果转出账本和转入账本不满足同时在文件架上这个条件，就用死循环的方式来循环等待，核心代码如下：

// 一次性申请转出账户和转入账户，直到成功
while(!actr.apply(this, target));

太消耗 CPU 了。// 循环等待会占用CPU资源

循环等待的弊端：当并发量冲突较大时，有可能需要循环上万次，比较消耗CPU，比较好的解决方案：当条件不满足时，不是循环等待，而是线程阻塞自己，进入等待状态（这时候是不消耗cpu的）, 当条件满足时，通知等待的线程重新执行。

一个完整的等待 - 通知机制：线程首先获取互斥锁，当线程要求的条件不满足时，释放互斥锁，进入等待状态；当要求的条件满足时，通知等待的线程，重新获取互斥锁。

// 需要注意的是：由于涉及到线程阻塞和唤醒的操作，因此 wait() 方法会进入到内核模式。想想CAS操作，自旋锁的实现

2、用 synchronized 实现等待 - 通知机制（Guarded Blocks）

synchronized 配合 wait()、notify()、notifyAll() 这三个方法就能轻松实现。

左边有一个等待队列。同一时刻，只允许一个线程进入 synchronized 保护的临界区，当有一个线程进入临界区后，其他线程就只能进入图中左边的等待队列里等待。这个等待队列和互斥锁是一对一的关系，每个互斥锁都有自己独立的等待队列。// 锁和等待队列是一对一的关系

java 等待怎么实现 java 循环等待_Java多线程

当调用 wait() 方法后，当前线程就会被阻塞，并且进入到右边的等待队列中。线程在进入右边等待队列的同时，会释放持有的互斥锁，线程释放锁后，其他线程就有机会获得锁，并进入临界区了。

那线程要求的条件满足时，该怎么通知这个等待的线程呢？

当条件满足时调用 notify()，会通知等待队列（右边的等待队列）中的线程，告诉它条件曾经满足过。

java 等待怎么实现 java 循环等待_线程协调_02

为什么说是曾经满足过呢？

notify() 只能保证在通知时间点，条件是满足的。而被通知线程的执行时间点和通知的时间点基本上不会重合，所以当线程执行的时候，很可能条件已经不满足了（保不齐有其他线程插队）。 // 这就是为什么要使用while()，不使用if()的原因

被通知的线程要想重新执行，仍然需要获取到互斥锁（因为曾经获取的锁在调用 wait() 时已经释放了）。wait()、notify()、notifyAll() 方法操作的等待队列是互斥锁的等待队列，所以这三个方法能够被调用的前提是已经获取了相应的互斥锁，他们都是在 synchronized{}内部被调用的。

如果在 synchronized{}外部调用，JVM 会抛出一个运行时异常：java.lang.IllegalMonitorStateException。

3、使用Guarded Blocks，构建一个更好地资源分配器

在这个等待 - 通知机制中，我们需要考虑以下四个要素。

互斥锁：上一篇文章中提到 Allocator 需要是单例的，所以我们可以用 this 作为互斥锁。
线程要求的条件：转出账户和转入账户都没有被分配过。
何时等待：线程要求的条件不满足就等待。
何时通知：当有线程释放账户时就通知。

需要注意的是我们使用了经典范式：

while(条件不满足) { 
    wait(); 
}

范式，意味着是经典做法，所以没有特殊理由不要尝试换个写法。

class Allocator {
    private List<Object> als = new ArrayList<>();
    // 一次性申请所有资源
    synchronized void apply(Object from, Object to) {
        // 经典写法
        while (als.contains(from) || als.contains(to)) {
            try {
                wait(); // 不符合条件等待
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        als.add(from);
        als.add(to);
    }
    // 归还资源
    synchronized void free(Object from, Object to){
        als.remove(from);
        als.remove(to);
        notifyAll();// 通知所有线程
    }
}

class Accounts {
    // actr应该为单例
    private Allocator actr;
    private int balance;
    // 转账
    void transfer(Accounts target, int amt){
        // 一次性申请转出账户和转入账户，直到成功
        actr.apply(this, target);
        try{
            // 锁定转出账户-保证可见性
            synchronized(this){
                // 锁定转入账户
                synchronized(target){
                    if (this.balance > amt){
                        this.balance -= amt;
                        target.balance += amt;
                    }
                }
            }
        } finally {
            actr.free(this, target);
        }
    }
}

4、尽量使用 notifyAll()的原因

使用 notify() 有风险，它的风险在于随机通知一个线程，可能导致某些线程永远不会被通知到。

所以除非经过深思熟虑，否则尽量使用 notifyAll()。

5、wait()和sleep()区别

wait() 和 sleep() 都是 Java 中用于线程等待的方法，但二者有以下区别：

wait() 和 notify()/notifyAll() 一起使用，用于实现线程间的协作，而 sleep() 用于线程休眠一段时间。
wait() 是 Object 类中的方法，而 sleep() 是 Thread 类中的方法。
wait() 方法会释放占有的锁，进入等待池中等待被唤醒，而 sleep() 方法不会释放锁。
wait() 方法只能在同步方法或同步块中调用，而 sleep() 方法可以在任何地方调用。

简单来说，wait() 和 notify()/notifyAll() 是用于线程间通信的，而 sleep() 是用于线程暂停一段时间的。

6、附：什么是 Guarded Blocks（代码保护块）？

Guarded Blocks 是一种线程间通信的方式，它能够确保某个条件成立时才能执行相应的操作。Guarded Blocks 的基本思想是：线程在循环中等待某个条件成立，一旦条件成立，就执行相应的操作。它的主要优点是能够避免线程在等待条件成立时浪费 CPU 资源，同时也能避免条件被错误地设置。// 线程经常需要协调它们的动作。最常见的协调方式就是保护块。

Guarded Blocks 的实现方式通常有以下步骤：

在共享对象上加锁，以确保线程互斥地访问共享对象。
在循环中检查某个条件，如果条件不成立，则调用共享对象的 wait() 方法进入等待状态，释放锁并让其他线程访问共享对象。
如果条件成立，则执行相应的操作，并通过共享对象的 notify() 或 notifyAll() 方法通知等待线程条件已经成立。
重复步骤 2 和 3 直到完成任务。

Guarded Blocks 的典型应用场景包括生产者-消费者模型、任务调度等。在生产者-消费者模型中，生产者会在缓冲区已满时等待，消费者会在缓冲区为空时等待。这样，就能够避免生产者在缓冲区已满时浪费 CPU 资源，消费者在缓冲区为空时等待。

Guarded Blocks 的实现通常使用 synchronized 块和 wait()、notify() 或 notifyAll() 方法来实现。需要注意的是，在使用 wait() 方法等待时，需要在循环中判断条件，以避免虚假唤醒问题。

Guarded Blocks 是通过使用一个共享变量作为条件，等待条件满足或者条件变化的方式来进行线程间的通信和协作。以下是一个使用 Guarded Blocks 实现线程协作的示例代码：

public class GuardedBlocksExample {

    private boolean isDataReady = false;
    private final Object lock = new Object();

    public void produceData() {
        synchronized (lock) {
            // 生产数据
            // ...

            // 标记数据已准备好
            isDataReady = true;

            // 唤醒等待的线程
            lock.notifyAll();
        }
    }

    public void consumeData() throws InterruptedException {
        synchronized (lock) {
            while (!isDataReady) {
                // 等待数据准备好
                lock.wait();
            }

            // 消费数据
            // ...

            // 重置标记
            isDataReady = false;
        }
    }
}

在上面的示例中，isDataReady 变量被用作条件变量，用于表示数据是否准备好。produceData() 方法负责生产数据，并在数据准备好之后，通过调用 lock.notifyAll() 方法唤醒等待的线程；consumeData() 方法则负责消费数据，并在数据未准备好时等待，直到 isDataReady 变为 true。

使用 Guarded Blocks 的关键点在于：

所有使用共享变量的线程都必须在同一个对象上进行同步（如上面的示例中的 lock 对象）；
在等待条件满足时，使用 wait() 方法释放锁，以允许其他线程访问共享变量，直到被唤醒时再次获得锁；
在条件满足时，使用 notify() 或 notifyAll() 方法唤醒等待的线程，以便它们可以继续执行。

使用 Guarded Blocks 能够有效地避免竞态条件和死锁等问题，同时也可以提高程序的可读性和可维护性。

摘录：Guarded Blocks Java 官方文档实现生产者-消费者模型代码

在本例中，数据是一系列文本消息，它们通过Drop类的对象进行共享:

public class Drop {

    private String message;
    private boolean empty = true;

    public synchronized String take() {
        while (empty) {
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {}
        }
        empty = true;
        notifyAll();
        return message;
    }

    public synchronized void put(String message) {
        while (!empty) {
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {}
        }
        empty = false;
        this.message = message;
        notifyAll();
    }
}

在Producer中定义的生产者线程发送一系列的消息。字符串“DONE”表示所有消息都已发送。为了模拟真实应用程序的不可预测性，生产者线程在消息之间随机暂停。

import java.util.Random;

public class Producer implements Runnable {
    private Drop drop;

    public Producer(Drop drop) {
        this.drop = drop;
    }

    @Override
    public void run() {
        String importantInfo[] = {
            "Mares eat oats",
            "Does eat oats",
            "Little lambs eat ivy",
            "A kid will eat ivy too"
        };
        Random random = new Random();

        for (int i = 0; i < importantInfo.length; i++) {
            drop.put(importantInfo[i]);
            try {
                Thread.sleep(random.nextInt(5000));
            } catch (InterruptedException e) {}
        }
        drop.put("DONE");
    }
}

在Consumer中定义的消费者线程只是检索消息并将其打印出来，直到它检索到“DONE”字符串。这个线程也会以随机的间隔暂停。

import java.util.Random;

public class Consumer implements Runnable {
    private Drop drop;

    public Consumer(Drop drop) {
        this.drop = drop;
    }

    @Override
    public void run() {
        Random random = new Random();
        for (String message = drop.take(); !message.equals("DONE"); message = drop.take()) {
            System.out.format("MESSAGE RECEIVED: %s%n", message);
            try {
                Thread.sleep(random.nextInt(5000));
            } catch (InterruptedException e) {
            }
        }
    }
}

最后，这是在ProducerConsumerExample中定义的主线程，它启动生产者和消费者线程。

public class ProducerConsumerExample {
    public static void main(String[] args) {
        Drop drop = new Drop();
        (new Thread(new Producer(drop))).start();
        (new Thread(new Consumer(drop))).start();
    }
}

文档地址，请点击这里。

// 以上这些代码值得好好的查看和思考，能优雅写出线程之间的相互协作程序

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