如何在 Java 中使用wait()，notify()和notifyAll()？ · HowToDoInJava 中文系列教程

# 如何在 Java 中使用`wait()`，`notify()`和`notifyAll()`？ > 原文： [https://howtodoinjava.com/java/multi-threading/wait-notify-and-notifyall-methods/](https://howtodoinjava.com/java/multi-threading/wait-notify-and-notifyall-methods/) [**Java 并發**](https://howtodoinjava.com/java-concurrency-tutorial/ "multithreading in java")是一個非常復雜的主題，在編寫處理在任何給定時間訪問一個/多個共享資源的多個線程的應用程序代碼時，需要引起很多關注。 Java 5 引入了諸如[**`BlockingQueue`**](https://howtodoinjava.com/java/multi-threading/how-to-use-blockingqueue-and-threadpoolexecutor-in-java/ "How to use BlockingQueue and ThreadPoolExecutor in java")和`Executors`之類的類，它們通過提供易于使用的 API 消除了一些復雜性。使用并發類的程序員會比使用`wait()`，`notify()`和`notifyAll()`方法調用直接處理同步內容的程序員更有信心。我還將建議您自己通過同步使用這些較新的 API，但是由于種種原因，我們經常需要這樣做，例如維護舊版代碼。掌握這些方法的豐富知識將在您到達這種情況時為您提供幫助。在本教程中，我將討論 Java 中`wait() notify() notifyall()`的用途。我們將了解`wait`和`notify`之間的**區別**。 > 閱讀更多： [Java 中的`wait()`和`sleep()`之間的區別](https://howtodoinjava.com/java/multi-threading/difference-between-sleep-and-wait/) ## 1\. 什么是`wait()`，`notify()`和`notifyAll()`方法？ Java 中的`Object`類具有三個最終方法，這些方法允許線程就資源的鎖定狀態進行通信。 1. #### `wait()` 它告訴調用線程放棄鎖定并進入睡眠狀態，直到其他線程進入同一監視器并調用`notify()`為止。 `wait()`方法在等待之前釋放鎖，并在從`wait()`方法返回之前重新獲取鎖。實際上，`wait()`方法與同步鎖緊密集成在一起，使用的特性無法直接從同步機制獲得。換句話說，我們不可能僅在 Java 中實現`wait()`方法。它是**本地方法**。調用`wait()`方法的常規語法如下： ```java synchronized( lockObject ) { while( ! condition ) { lockObject.wait(); } //take the action here; } ``` 2. #### `notify()` 它喚醒一個在同一對象上調用`wait()`的單個線程。應該注意的是，調用`notify()`實際上并沒有放棄對資源的鎖定。它告訴等待的線程該線程可以喚醒。但是，直到通知者的同步塊完成后才真正放棄鎖定。因此，如果通知者在資源上調用`notify()`，但通知者仍需要在其同步塊內對該資源執行 10 秒的操作，則一直在等待的線程將至少需要再等待通知者 10 秒，來釋放對象上的鎖定，即使調用了`notify()`。調用`notify()`方法的常規語法如下： ```java synchronized(lockObject) { //establish_the_condition; lockObject.notify(); //any additional code if needed } ``` 3. #### `notifyAll()` 它將喚醒在同一對象上調用`wait()`的所有線程。盡管沒有保證，但是在大多數情況下，優先級最高的線程將首先運行。其他與上述`notify()`方法相同。調用`notify()`方法的一般語法如下： ```java synchronized(lockObject) { establish_the_condition; lockObject.notifyAll(); } ``` 通常，使用`wait()`方法的線程會確認條件不存在（通常通過檢查變量），然后調用`wait()`方法。當另一個線程建立條件（通常通過設置相同的變量）時，它將調用`notify()`方法。等待通知機制未指定特定條件/變量值是什么。開發人員可以在調用`wait()`或`notify()`之前指定要檢查的條件。讓我們寫一個小程序來了解**應該如何使用**`wait()`，`notify()`和`notifyall()`方法來獲得理想的結果。 ## 2\. 如何一起使用`wait()`，`notify()`和`notifyAll()`方法在本練習中，我們將使用`wait()`和`notify()`方法解決**生產者消費者問題**。為了使程序簡單并專注于`wait()`和`notify()`方法的使用，我們將只涉及一個生產者和一個消費者線程。該程序的其他特性包括： * 生產者線程每 1 秒鐘產生一個新資源，并將其放入`taskQueue`中。 * 使用者線程需要 1 秒鐘來處理`taskQueue`中消耗的資源。 * `taskQueue`的最大容量為 5，即在任何給定時間，`taskQueue`中最多可以存在 5 個資源。 * 兩個線程都無限運行。 #### 2.1 生產者線程以下是根據我們的要求生產者線程的代碼： ```java class Producer implements Runnable { private final List<Integer> taskQueue; private final int MAX_CAPACITY; public Producer(List<Integer> sharedQueue, int size) { this.taskQueue = sharedQueue; this.MAX_CAPACITY = size; } @Override public void run() { int counter = 0; while (true) { try { produce(counter++); } catch (InterruptedException ex) { ex.printStackTrace(); } } } private void produce(int i) throws InterruptedException { synchronized (taskQueue) { while (taskQueue.size() == MAX_CAPACITY) { System.out.println("Queue is full " + Thread.currentThread().getName() + " is waiting , size: " + taskQueue.size()); taskQueue.wait(); } Thread.sleep(1000); taskQueue.add(i); System.out.println("Produced: " + i); taskQueue.notifyAll(); } } } ``` * 此處，`produce(counter++)`代碼已在無限循環內編寫，以便生產者以規則的間隔保持生產元素。 * 我們已經按照通用準則編寫了`produce()`方法代碼，以編寫第一部分中提到的`wait()`方法。 * `wait()`完成后，生產者在 taskQueue 中添加一個元素，并稱為`notifyAll()`方法。由于上次`wait()`方法是由使用者線程調用的（這就是生產者處于等待狀態的原因），因此使用者可以獲取通知。 * 收到通知后的使用者線程，如果準備按照書面邏輯使用該元素。 * 請注意，兩個線程也都使用`sleep()`方法來模擬創建和使用元素時的時間延遲。 #### 2.2 使用者線程以下是根據我們的要求使用的消費者線程的代碼： ```java class Consumer implements Runnable { private final List<Integer> taskQueue; public Consumer(List<Integer> sharedQueue) { this.taskQueue = sharedQueue; } @Override public void run() { while (true) { try { consume(); } catch (InterruptedException ex) { ex.printStackTrace(); } } } private void consume() throws InterruptedException { synchronized (taskQueue) { while (taskQueue.isEmpty()) { System.out.println("Queue is empty " + Thread.currentThread().getName() + " is waiting , size: " + taskQueue.size()); taskQueue.wait(); } Thread.sleep(1000); int i = (Integer) taskQueue.remove(0); System.out.println("Consumed: " + i); taskQueue.notifyAll(); } } } ``` * 此處，`consume()`代碼已在無限循環內編寫，以便使用者在`taskQueue`中發現某些內容時便繼續使用元素。 * 一旦`wait()`完成，使用者將刪除 taskQueue 中的一個元素，并調用`notifyAll()`方法。由于生產者線程調用了上次的`wait()`方法（這就是為什么生產者處于等待狀態的原因），所以生產者會收到通知。 * 獲取通知后的生產者線程（如果準備按照書面邏輯生產元素）。 #### 2.3 測試生產者消費者示例現在讓測試生產者和使用者線程。 ```java public class ProducerConsumerExampleWithWaitAndNotify { public static void main(String[] args) { List<Integer> taskQueue = new ArrayList<Integer>(); int MAX_CAPACITY = 5; Thread tProducer = new Thread(new Producer(taskQueue, MAX_CAPACITY), "Producer"); Thread tConsumer = new Thread(new Consumer(taskQueue), "Consumer"); tProducer.start(); tConsumer.start(); } } ``` 程序輸出。 ```java Produced: 0 Consumed: 0 Queue is empty Consumer is waiting , size: 0 Produced: 1 Produced: 2 Consumed: 1 Consumed: 2 Queue is empty Consumer is waiting , size: 0 Produced: 3 Produced: 4 Consumed: 3 Produced: 5 Consumed: 4 Produced: 6 Consumed: 5 Consumed: 6 Queue is empty Consumer is waiting , size: 0 Produced: 7 Consumed: 7 Queue is empty Consumer is waiting , size: 0 ``` 我建議您將生產者線程和使用者線程花費的時間更改為不同的時間，并檢查不同情況下的不同輸出。 ## 3\. 關于`wait()`，`notify()`和`notifyAll()`方法的面試問題 #### 3.1 調用`notify()`并且沒有線程正在等待時會發生什么？通常，如果正確使用這些方法，則在大多數情況下并非如此。盡管如果在沒有其他線程等待時調用`notify()`方法，則`notify()`只會返回而通知將丟失。由于*等待和通知機制*不知道它正在發送通知的條件，因此，假設沒有線程正在等待，通知就不會被聽到。稍后執行`wait()`方法的線程必須等待另一個通知發生。 #### 3.2 在`wait()`方法釋放或重新獲取鎖的時間段內是否存在競爭條件？ `wait()`方法與鎖定機制緊密集成。在等待線程已經可以接收通知的狀態之前，實際上不會釋放對象鎖。這意味著僅當線程狀態更改為能夠接收通知時，才會保留鎖定。該系統可防止在此機制中發生任何競賽情況。同樣，系統確保在將線程移出等待狀態之前，對象應完全持有鎖定。 #### 3.3 如果線程收到通知，是否可以保證條件設置正確？簡單地說，不。在調用`wait()`方法之前，線程應始終在保持同步鎖的同時測試條件。從`wait()`方法返回后，線程應始終重新測試條件以確定是否應該再次等待。這是因為另一個線程也可以測試條件并確定不需要等待 - 處理通知線程設置的有效數據。當通知中涉及多個線程時，這是一種常見情況。更具體地說，正在將處理數據的線程視為使用者。它們使用其他線程產生的數據。無法保證當消費者收到通知時，該通知尚未被其他消費者處理。這樣，當消費者醒來時，它無法假定其等待的狀態仍然有效。它可能在過去是有效的，但是在調用`notify()`方法之后以及使用者線程喚醒之前，狀態可能已經更改。等待線程必須提供檢查狀態的選項，并在通知已被處理的情況下返回到等待狀態。這就是為什么我們總是在循環中放置對`wait()`方法的調用的原因。 #### 3.4 當多個線程正在等待通知時會發生什么？調用`notify()`方法時，哪個線程實際獲得通知？這取決于許多因素。Java 規范沒有定義要通知哪個線程。在運行時中，哪個線程實際接收到通知取決于幾個因素，包括 Java 虛擬機的實現以及程序執行期間的調度和計時問題。即使在單個處理器平臺上，也無法確定多個線程中的哪個接收通知。就像`notify()`方法一樣，`notifyAll()`方法不允許我們決定哪個線程獲取通知：它們都被通知了。當所有線程都收到通知時，可以設計出一種機制，讓線程在它們之間選擇哪個線程應該繼續，哪個線程應該再次調用`wait()`方法。 #### 3.5 `notifyAll()`方法是否真的喚醒所有線程？是的，沒有。所有等待的線程都被喚醒，但是它們仍然必須重新獲取對象鎖。因此，線程不會并行運行：它們必須各自等待對象鎖被釋放。因此，一次只能運行一個線程，并且只能在調用`notifyAll()`方法的線程釋放其鎖之后運行。 #### 3.6 如果根本只執行一個線程，為什么要喚醒所有線程？有幾個原因。例如，可能有多個條件要等待。由于我們無法控制哪個線程獲取通知，因此通知完全有可能喚醒正在等待完全不同條件的線程。通過喚醒所有線程，我們可以設計程序，以便線程在它們之間決定下一步應執行哪個線程。另一種選擇是生產者生成的數據可以滿足多個消費者的需求。由于可能難以確定有多少消費者可以對該通知感到滿意，因此可以選擇全部通知他們，從而允許消費者在他們之間進行分類。學習愉快！