## 08 集體協作，什么最重要？溝通！—線程的等待和通知 > 世界上最寬闊的是海洋，比海洋更寬闊的是天空，比天空更寬闊的是人的胸懷。 > ——雨果 通過前面幾節的學習，我們了解了在 Java 中如何啟動一個線程，并且學習了 Thread 類的 API 以及線程的狀態。假如將多線程比作多個機器人一起工作，那么我們講到現在，所生產的機器人確實能夠擔當干活的責任了。每個機器人各司其職，盡職盡責地去完成自己的工作。他們每個人不斷去查看自己的任務列表，有了新的任務就去工作，沒有的話會持續查看。OK，這樣沒有問題，機器人能夠一起把工作干完。但是你不覺得缺了點什么嗎？或者說你不覺得機器人少了什么器官？沒錯，嘴巴！這個過程太安靜了，居然沒有機器人說話！這在現實世界是不可想象的。在現實世界里，即便最簡單的兩人配合工作都需要溝通和交流。  我們回憶一下之前學生抄寫單詞的例子。那個例子中抄寫的次數提前預置，每個學生抄寫前領取一次抄寫的任務，然后更新剩余抄寫次數，直到所有抄寫次數全部完成。這個例子比較簡單，但是假如今天老師發飆了，除了抄寫 internationalization 這個單詞，她還會一直給你新的單詞抄寫作業。此時，作為學生在抄寫完 internationalization 后他有兩個選擇。一是不停的盯著老師，直到老師發給他新的作業。二是他先休息一會，老師準備好新的作業時再叫他。假如我是學生，我肯定選擇第二種。因為第一種太累了，要一直盯著老師。第一種方式在程序中叫做輪詢。而第二種方式就引出了我們本節要講解的 wait/notify。 ## 1\. wait/notify 概念 我們先從概念上初步了解 wait/notify。原本 RUNNING 的線程，可以通過調用 wait 方法，進入 BLOCKING 狀態。此線程會放棄原來持有的鎖。而調用 notify 方法則會喚醒 wait 的線程，讓其繼續往下執行。 你可能有疑問，既然這兩個方法都和線程有關系，為什么沒有放在上一節線程 API 中講解呢？這是因為這兩個方法并不在 Thread 對象中，而是在 Object 中。也就是說所有的 Java 類都繼承了這兩個方法。所有 Java 類都會繼承這兩個方法的原因是 Java 中同步操作的需要。 ## 2、同步 講到這里，我們必須要對線程同步有所了解。那么什么是線程同步呢？我們先看看什么是異步，異步其實就是指多個線程同時執行。但在多個線程同時執行的過程中，可能會訪問共享資源，此時我們希望確保多個線程在同一時間只能有一個線程訪問，此時就稱之為線程同步。 在多線程開發中最基本的同步方式就是通過 synchronized 關鍵字來實現。第三節中我們單詞抄寫的程序并沒有徹底解決線程安全問題，仍舊可能出現重復抄寫。這是因為我們對抄寫次數這個共享資源的訪問沒有做同步。現在我們使用 synchronized 關鍵字對抄寫單詞的核心邏輯進行改寫，如下： ~~~java while (true) { int leftCopyCount = 0; //在同步代碼塊中訪問punishment，確保讀取和更新數量時，只有一個線程訪問到共享資源 synchronized (punishment){ if (punishment.getLeftCopyCount() > 0) { leftCopyCount = punishment.getLeftCopyCount(); punishment.setLeftCopyCount( leftCopyCount - 1); } } if(leftCopyCount>0){ System.out.println(threadName + "線程-" + name + "抄寫" + leftCopyCount + "。還要抄寫" + leftCopyCount - 1 + "次"); count++; }else{ break; } } ~~~ 原來的代碼如下： ~~~java while (true) { if (punishment.getLeftCopyCount() > 0) { int leftCopyCount = punishment.getLeftCopyCount(); if (leftCopyCount == punishment.getLeftCopyCount()) { punishment.setLeftCopyCount(leftCopyCount - 1); System.out.println(threadName + "線程-" + name + "抄寫" + punishment.getWordToCopy() + "。還要抄寫" + leftCopyCount-1 + "次"); count++; } } else { break; } } ~~~ 可以做一下比較。修改后的代碼中，讀取和更新 leftCopyCount 的兩步操作放在了 synchronized 代碼塊中，在此代碼塊中的代碼會確保同一時間只有一個線程能夠執行。這也稱之為加上了鎖，只有獲取鎖的線程才能執行同步代碼，執行完成后則會釋放鎖。因此在 synchronized 代碼塊中操作 punishment 是安全的。當前線程取出來的 leftCopyCount 值，在同步代碼塊結束前，也就是 set 回去前，并不會被其它線程所改變。所以它并不需要像原來代碼那么啰嗦，取出來后更新前還要再比較一次。其實原來代碼即使又做了比較，也無法 100% 確保更新操作前沒有被別的線程修改。這在第三節的實驗中已經得到證實。正確的編寫方式應該把共享資源的操作放在 synchronized 代碼塊中，這樣才能 100% 確保程序的正確性。 注意修改后的代碼，并沒有把輸出抄寫內容放到 synchronized 代碼塊中。因為這一步操作其實和共享資源已經無關，所以沒必要再持有鎖，這會延長其它線程等待鎖的時間，降低了并行代碼的效率。這在我們實際開發中要注意，盡量把不需要同步的代碼移出 synchronized 代碼塊。 ## 3、使用 wait/notify 了解完 synchronized，我們再回頭看 wait 操作。synchronized 關鍵字需要配合一個對象使用，其實這個對象可以是任何對象，只不過為了代碼好懂，這里使用了共享資源對象 punishment，語義上表示對該對象上鎖，但你換成其它任何對象一樣是可以的。 其實 synchronized 所使用的對象，只是用來記錄等待同步操作的線程集合。他相當于一位排隊管理員，所有線程都要在此排隊，并接受他的管理，他說誰能進就可以進。另外他維護了一個 wait set，所有調用了 wait 方法的線程都保存于此。一旦有線程調用了同步對像的 notify 方法，那么 wait set 中的線程就會被 notify，繼續執行自己的邏輯。 這也解釋了為什么 synchronized 的對象并不一定是共享資源對象。這個對象只是看門人，確保同步代碼塊中的代碼只有一個線程能夠進入執行，但這個看門的工作并不一定要共享資源對象來做。任何對象都可擔當此工作。 需要注意的是，我們對哪個對象做了 synchronized 操作，那么就只能在同步代碼塊中使用此對象進行 wait 和 notify 的操作。這也很好理解，只有當看門人在聽你講話時，他才能按你的要求去做事情。我們只有獲得了和同步對象的對話權，這個對象才能聽此線程的命令。無論是請求加入 wait set 還是要通知 wait set 中的線程出來，均是如此。 wait 和 notify 示例代碼如下： ~~~java synchronized (punishment){ //do something punishment.wait(); //continue to do something } ~~~ 假如此段代碼在 A 線程中。這段代碼會在執行一些邏輯后把 A 線程放入 punishment 對象的 wait set 中，并且 A 線程會釋放持有的鎖。 我們再看看另外一個 B 線程中的部分代碼： ~~~java synchronized (punishment){ //do something punishment.nofity(); //continue to do something } ~~~ 這段代碼會 notify 在 punishment 對象的 wait set 中的一個線程，將其彈出。比如此時 A 線程在 wait set 中，那么 A 線程將被彈出。被彈出的 A 線程會在獲取 CPU 資源后繼續執行 wait 方法后面的邏輯。 最后再說一下 notifyAll 方法。我們知道 notify 可以喚醒 wait set 中的一個線程，但是如果 wait set 中存在多于一個線程時，我們并無法控制哪個線程被喚醒。假如所有線程的執行邏輯都是一樣的，那么無所謂誰被喚醒，因為都是干一樣的工作。 但如果是本節前面提出的問題，一個老師線程負責留作業，一個學生線程負責寫作業。假如此時開啟了多個學生線程，當學生寫完作業后本來需要通知老師留作業，但被 notify 的并不一定的是老師線程，也可能 notify 了其他學生線程。 為了解決這個問題，我們可以使用 notifyAll 來喚醒所有在此對象的 wait set 上的線程。而獲得鎖的線程是否真的需要做什么工作是由自己控制的。如果學生線程先搶到 CPU 資源，但是由于作業列表為空，他又會選擇 wait 進入 wait set。此時他會釋放鎖。而老師線程此時會獲得鎖，在看到作業列表為空后，則會添加新的作業。通過 wait/notifyAll 讓多個線程交互，同時通過共享資源的狀態，各線程控制自己的邏輯。這樣的程序稱之為狀態驅動程序。也就是說是否真的執行邏輯，是由狀態值所決定的。如果狀態不滿足，即使被 notify 了，也會再次進入 wait set。 ## 4、總結 本節首先簡單介紹了同步的概念，然后講解了如何通過 wait 和 notify 實現多線程間的溝通和協調。講了這么多，其實不如寫一寫代碼，更容易理解。在下節中我們將采用生產者 / 消費者模式，來開發一個多位老師留作業，多個學生一起完成的作業的程序。屆時，我們本節學習的內容都會被使用上。 }