Java 用“等待-通知”机制优化循环等待

在等待不消息CPU的情况下，

最好的方案应该是：

  • 如果线程要求的条件不满足，则线程阻塞自己，进入等待状态；
  • 当线程要求的条件满足后，通知等待的线程重新执行。

就医流程基本上是这样：

  1. 患者先去挂号，然后到就诊门口分诊，等待叫号；
  2. 当叫到自己的号时，患者就可以找大夫就诊了；
  3. 就诊过程中，大夫可能会让患者去做检查，同时叫下一位患者；
  4. 当患者做完检查后，拿检测报告重新分诊，等待叫号；
  5. 当大夫再次叫到自己的号时，患者再去找大夫就诊。

下面我们来对比看一下前面都忽视了哪些细节。

  1. 患者到就诊门口分诊，类似于线程要去获取互斥锁；当患者被叫到时，类似线程已经获取到锁了。
  2. 大夫让患者去做检查（缺乏检测报告不能诊断病因），类似于线程要求的条件没有满足。
  3. 患者去做检查，类似于线程进入等待状态；然后大夫叫下一个患者，这个步骤我们在前面的等待 - 通知机制中忽视了，这个步骤对应到程序里，本质是线程释放持有的互斥锁。
  4. 患者做完检查，类似于线程要求的条件已经满足；患者拿检测报告重新分诊，类似于线程需要重新获取互斥锁，这个步骤我们在前面的等待 - 通知机制中也忽视了。

所以加上这些至关重要的细节，综合一下，就可以得出一个完整的等待 - 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。

用 synchronized 实现等待 - 通知机制

在 Java 语言里，等待 - 通知机制可以有多种实现方式，比如 Java 语言内置的 synchronized 配合 wait()、notify()、notifyAll() 这三个方法就能轻松实现。

java 等待任务返回 java循环等待_互斥锁

在并发程序中，当一个线程进入临界区后，由于某些条件不满足，需要进入等待状态，Java 对象的 wait() 方法就能够满足这种需求。

如上图所示，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，这个等待队列也是互斥锁的等待队列。 线程在进入等待队列的同时，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？

很简单，就是 Java 对象的 notify() 和 notifyAll() 方法。

我在下面这个图里为你大致描述了这个过程，当条件满足时调用 notify()，会通知等待队列（互斥锁的等待队列）中的线程，告诉它条件曾经满足过。

java 等待任务返回 java循环等待_等待队列_02

上面我们一直强调 wait()、notify()、notifyAll() 方法操作的等待队列是互斥锁的等待队列：

所以如果 synchronized 锁定的是 this，那么对应的一定是 this.wait()、this.notify()、this.notifyAll()；

如果 synchronized 锁定的是 target，那么对应的一定是 target.wait()、target.notify()、target.notifyAll() 。

而且 wait()、notify()、notifyAll() 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，所以我们会发现 wait()、notify()、notifyAll() 都是在 synchronized{}内部被调用的。

如果在 synchronized{}外部调用，或者锁定的 this，而用 target.wait() 调用的话，JVM 会抛出一个运行时异常：java.lang.IllegalMonitorStateException。

尽量使用 notifyAll()

在一般情况下用的是 notifyAll() 来实现通知机制，为什么不使用 notify() 呢？

这二者是有区别的，

notify() 是会随机地通知等待队列中的一个线程，

而 notifyAll() 会通知等待队列中的所有线程。

从感觉上来讲，应该是 notify() 更好一些，因为即便通知所有线程，也只有一个线程能够进入临界区。

但那所谓的感觉往往都蕴藏着风险，实际上使用 notify() 也很有风险，它的风险在于可能导致某些线程永远不会被通知到。

假设我们有资源 A、B、C、D，线程 1 申请到了 AB，线程 2 申请到了 CD，此时线程 3 申请 AB，会进入等待队列（AB 分配给线程 1，线程 3 要求的条件不满足），线程 4 申请 CD 也会进入等待队列。我们再假设之后线程 1 归还了资源 AB，如果使用 notify() 来通知等待队列中的线程，有可能被通知的是线程 4，但线程 4 申请的是 CD，所以此时线程 4 还是会继续等待，而真正该唤醒的线程 3 就再也没有机会被唤醒了。

所以除非经过深思熟虑，否则尽量使用 notifyAll()。

总结

等待 - 通知机制是一种非常普遍的线程间协作的方式。工作中经常看到有同学使用轮询的方式来等待某个状态，其实很多情况下都可以用今天我们介绍的等待 - 通知机制来优化。