4.3.2 等待/通知機制

一個執行緒修改了一個物件的值，而另一個執行緒感知到了變化，然後進行相應的操作，整個過程開始於一個執行緒，而最終執行又是另一個執行緒。前者是生產者，後者就是消費者，這種模式隔離了“做什麼”（what）和“怎麼做”（How），在功能層面上實現瞭解耦，體系結構上具備了良好的伸縮性，但是在Java語言中如何實現類似的功能呢？

簡單的辦法是讓消費者執行緒不斷地迴圈檢查變數是否符合預期，如下面程式碼所示，在while迴圈中設定不滿足的條件，如果條件滿足則退出while迴圈，從而完成消費者的工作。

上面這段虛擬碼在條件不滿足時就睡眠一段時間，這樣做的目的是防止過快的“無效”嘗試，這種方式看似能夠解實現所需的功能，但是卻存在如下問題。

1）難以確保及時性。在睡眠時，基本不消耗處理器資源，但是如果睡得過久，就不能及時發現條件已經變化，也就是及時性難以保證。

2）難以降低開銷。如果降低睡眠的時間，比如休眠1毫秒，這樣消費者能更加迅速地發現條件變化，但是卻可能消耗更多的處理器資源，造成了無端的浪費。

以上兩個問題，看似矛盾難以調和，但是Java通過內建的等待/通知機制能夠很好地解決這個矛盾並實現所需的功能。

等待/通知的相關方法是任意Java物件都具備的，因為這些方法被定義在所有物件的超類java.lang.Object上，方法和描述如表4-2所示。

表4-2 等待/通知的相關方法

等待/通知機制，是指一個執行緒A呼叫了物件O的wait()方法進入等待狀態，而另一個執行緒B呼叫了物件O的notify()或者notifyAll()方法，執行緒A收到通知後從物件O的wait()方法返回，進而執行後續操作。上述兩個執行緒通過物件O來完成互動，而物件上的wait()和notify/notifyAll()的關係就如同開關訊號一樣，用來完成等待方和通知方之間的互動工作。

程式碼清單4-11 WaitNotify.java

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class b4_3_2等待通知機制 {
}

class WaitNotify {
    static boolean flag = true;
    static Object lock = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread waitThread 
 
= new Thread(new Wait(), "WaitThread");
        waitThread.start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        Thread notifyThread = new Thread(new Notify(), "NotifyThread");
        notifyThread.start();
    }

    static class Wait implements Runnable {
        public void run() {
            // 加鎖，擁有lock的Monitor
            synchronized (lock) {
                // 當條件不滿足時，繼續wait，同時釋放了lock的鎖
                while (flag) {
                    try {
                        System.out.println(Thread.currentThread() + " flag is true. wait @ " + new SimpleDateFormat(" HH:mm:ss ").format(new Date()));
                        lock.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                    }
                }
                // 條件滿足時，完成工作
                System.out.println(Thread.currentThread() + " flag is false. running@ " + new SimpleDateFormat(" HH:mm:ss ").format(new Date()));
            }
        }
    }

    static class Notify implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            // 加鎖，擁有lock的Monitor
            synchronized (lock) {
                // 獲取lock的鎖，然後進行通知，通知時不會釋放lock的鎖，
                // 直到當前執行緒釋放了lock後，WaitThread才能從wait方法中返回
                System.out.println(Thread.currentThread() + " hold lock. notify @ " + new SimpleDateFormat(" HH:mm:ss ").format(new Date()));
                lock.notifyAll();
                flag = false;
                SleepUtils.second(5);
            }
            // 再次加鎖
            synchronized (lock){
                System.out.println(Thread.currentThread() + " hold lock again. sleep @ " + new SimpleDateFormat(" HH:mm:ss ").format(new Date()));
                SleepUtils.second(5);
            }
        }
    }
}

Thread[WaitThread,5,main] flag is true. wait @  08:50:55 
Thread[NotifyThread,5,main] hold lock. notify @  08:50:56 
Thread[NotifyThread,5,main] hold lock again. sleep @  08:51:01 
Thread[WaitThread,5,main] flag is false. running@  08:51:06 

上述第3行和第4行輸出的順序可能會互換，而上述例子主要說明了呼叫wait()、notify()以及notifyAll()時需要注意的細節，如下。

1）使用wait()、notify()和notifyAll()時需要先對呼叫物件加鎖。

2）呼叫wait()方法後，執行緒狀態由RUNNING變為WAITING，並將當前執行緒放置到物件的等待佇列。

3）notify()或notifyAll()方法呼叫後，等待執行緒依舊不會從wait()返回，需要呼叫notify()或notifAll()的執行緒釋放鎖之後，等待執行緒才有機會從wait()返回。

4）notify()方法將等待佇列中的一個等待執行緒從等待佇列中移到同步佇列中，而notifyAll()方法則是將等待佇列中所有的執行緒全部移到同步佇列，被移動的執行緒狀態由WAITING變為BLOCKED。

5）從wait()方法返回的前提是獲得了呼叫物件的鎖。

從上述細節中可以看到，等待/通知機制依託於同步機制，其目的就是確保等待執行緒從wait()方法返回時能夠感知到通知執行緒對變數做出的修改。

圖4-3描述了上述示例的過程。

在圖4-3中，WaitThread首先獲取了物件的鎖，然後呼叫物件的wait()方法，從而放棄了鎖並進入了物件的等待佇列WaitQueue中，進入等待狀態。由於WaitThread釋放了物件的鎖，NotifyThread隨後獲取了物件的鎖，並呼叫物件的notify()方法，將WaitThread從WaitQueue移到SynchronizedQueue中，此時WaitThread的狀態變為阻塞狀態。NotifyThread釋放了鎖之後，WaitThread再次獲取到鎖並從wait()方法返回繼續執行。

4.3.3 等待/通知的經典範式

從4.3.2節中的WaitNotify示例中可以提煉出等待/通知的經典範式，該正規化分為兩部分，分別針對等待方（消費者）和通知方（生產者）。

等待方遵循如下原則。

1）獲取物件的鎖。

2）如果條件不滿足，那麼呼叫物件的wait()方法，被通知後仍要檢查條件。

3）條件滿足則執行對應的邏輯。對應的虛擬碼如下。

通知方遵循如下原則。

1）獲得物件的鎖。

2）改變條件。

3）通知所有等待在物件上的執行緒。

對應的虛擬碼如下。

來源:java併發程式設計的藝術 4.3.2