线程同步之wait()/notify()的使用

wait()/notify()

通常，多线程之间需要协调工作。例如，浏览器的一个显示图片的线程displayThread想要执行显示图片的任务，必须等待下载线程downloadThread将该图片下载完毕。如果图片还没有下载完，displayThread可以暂停，当downloadThread完成了任务后，再通知displayThread“图片准备完毕，可以显示了”，这时，displayThread继续执行。

以上逻辑简单的说就是：如果条件不满足，则等待。当条件满足时，等待该条件的线程将被唤醒。在Java中，这个机制的实现依赖于wait/notify。等待机制与锁机制是密切关联的。例如：

synchronized(obj) {
    while(!condition) {
        obj.wait();
    }
    obj.doSomething();
}

当线程A获得了obj锁后，发现条件condition不满足，无法继续下一处理，于是线程A就wait()。

在另一线程B中，如果B更改了某些条件，使得线程A的condition条件满足了，就可以唤醒线程A：

synchronized(obj) {
    condition = true;
    obj.notify();
}

需要注意的概念是：

# 调用obj的wait(), notify()方法前，必须获得obj锁，也就是必须写在synchronized(obj) {...} 代码段内。

# 调用obj.wait()后，线程A就释放了obj的锁，否则线程B无法获得obj锁，也就无法在synchronized(obj) {...} 代码段内唤醒A。

# 当obj.wait()方法返回后，线程A需要再次获得obj锁，才能继续执行。

# 如果A1,A2,A3都在obj.wait()，则B调用obj.notify()只能唤醒A1,A2,A3中的一个（具体哪一个由JVM决定）。

# obj.notifyAll()则能全部唤醒A1,A2,A3，但是要继续执行obj.wait()的下一条语句，必须获得obj锁，因此，A1,A2,A3只有一个有机会获得锁继续执行，例如A1，其余的需要等待A1释放obj锁之后才能继续执行。

# 当B调用obj.notify/notifyAll的时候，B正持有obj锁，因此，A1,A2,A3虽被唤醒，但是仍无法获得obj锁。直到B退出synchronized块，释放obj锁后，A1,A2,A3中的一个才有机会获得锁继续执行。

wait()/sleep()的区别

      前面讲了wait/notify机制，Thread还有一个sleep()静态方法，它也能使线程暂停一段时间。sleep与wait的不同点是：sleep并不释放锁，并且sleep的暂停和wait暂停是不一样的。obj.wait会使线程进入obj对象的等待集合中并等待唤醒。

      但是wait()和sleep()都可以通过interrupt()方法打断线程的暂停状态，从而使线程立刻抛出InterruptedException。

      如果线程A希望立即结束线程B，则可以对线程B对应的Thread实例调用interrupt方法。如果此刻线程B正在wait/sleep/join，则线程B会立刻抛出InterruptedException，在catch() {} 中直接return即可安全地结束线程。

      需要注意的是，InterruptedException是线程自己从内部抛出的，并不是interrupt()方法抛出的。对某一线程调用interrupt()时，如果该线程正在执行普通的代码，那么该线程根本就不会抛出InterruptedException。但是，一旦该线程进入到wait()/sleep()/join()后，就会立刻抛出InterruptedException。

GuardedSuspention

GuardedSuspention模式主要思想是：

当条件不满足时，线程等待，直到条件满足时，等待该条件的线程被唤醒。

我们设计一个客户端线程和一个服务器线程，客户端线程不断发送请求给服务器线程，服务器线程不断处理请求。当请求队列为空时，服务器线程就必须等待，直到客户端发送了请求。

先定义一个请求队列：Queue

package com.crackj2ee.thread;

import java.util.*;

public class Queue {
    private List queue = new LinkedList();

    public synchronized Request getRequest() {
        while(queue.size()==0) {
            try {
                this.wait();
            }
            catch(InterruptedException ie) {
                return null;
            }
        }
        return (Request)queue.remove(0);
    }

    public synchronized void putRequest(Request request) {
        queue.add(request);
        this.notifyAll();
    }

}

蓝色部分就是服务器线程的等待条件，而客户端线程在放入了一个request后，就使服务器线程等待条件满足，于是唤醒服务器线程。

客户端线程：ClientThread

package com.crackj2ee.thread;

public class ClientThread extends Thread {
    private Queue queue;
    private String clientName;

    public ClientThread(Queue queue, String clientName) {
        this.queue = queue;
        this.clientName = clientName;
    }

    public String toString() {
        return "[ClientThread-" clientName "]";
    }

    public void run() {
        for(int i=0; i<100; i ) {
            Request request = new Request("" (long)(Math.random()*10000));
            System.out.println(this " send request: " request);
            queue.putRequest(request);
            try {
                Thread.sleep((long)(Math.random() * 10000 1000));
            }
            catch(InterruptedException ie) {
            }
        }
        System.out.println(this " shutdown.");
    }
}

服务器线程：ServerThread

package com.crackj2ee.thread;
public class ServerThread extends Thread {
    private boolean stop = false;
    private Queue queue;

    public ServerThread(Queue queue) {
        this.queue = queue;
    }

    public void shutdown() {
        stop = true;
        this.interrupt();
        try {
            this.join();
        }
        catch(InterruptedException ie) {}
    }

    public void run() {
        while(!stop) {
            Request request = queue.getRequest();
            System.out.println("[ServerThread] handle request: " request);
            try {
                Thread.sleep(2000);
            }
            catch(InterruptedException ie) {}
        }
        System.out.println("[ServerThread] shutdown.");
    }
}

服务器线程在红色部分可能会阻塞，也就是说，Queue.getRequest是一个阻塞方法。这和java标准库的许多IO方法类似。

最后，写一个Main来启动他们：

package com.crackj2ee.thread;

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        Queue queue = new Queue();
        ServerThread server = new ServerThread(queue);
        server.start();
        ClientThread[] clients = new ClientThread[5];
        for(int i=0; i<CLIENTS.LENGTH; {
            clients[i] = new ClientThread(queue, "" i);
            clients[i].start();
        }
        try {
            Thread.sleep(100000);
        }
        catch(InterruptedException ie) {}
        server.shutdown();
    }
}

我们启动了5个客户端线程和一个服务器线程，运行结果如下：

[ClientThread-0] send request: Request-4984
[ServerThread] handle request: Request-4984
[ClientThread-1] send request: Request-2020
[ClientThread-2] send request: Request-8980
[ClientThread-3] send request: Request-5044
[ClientThread-4] send request: Request-548
[ClientThread-4] send request: Request-6832
[ServerThread] handle request: Request-2020
[ServerThread] handle request: Request-8980
[ServerThread] handle request: Request-5044
[ServerThread] handle request: Request-548
[ClientThread-4] send request: Request-1681
[ClientThread-0] send request: Request-7859
[ClientThread-3] send request: Request-3926
[ServerThread] handle request: Request-6832
[ClientThread-2] send request: Request-9906
......

可以观察到ServerThread处理来自不同客户端的请求。

思考

Q: 服务器线程的wait条件while(queue.size()==0)能否换成if(queue.size()==0)?

A: 在这个例子中可以，因为服务器线程只有一个。但是，如果服务器线程有多个（例如Web应用程序有多个线程处理并发请求，这非常普遍），就会造成严重问题。

Q: 能否用sleep(1000)代替wait()?

A: 绝对不可以。sleep()不会释放锁，因此sleep期间别的线程根本没有办法调用getRequest()和putRequest()，导致所有相关线程都被阻塞。

Q: (Request)queue.remove(0)可以放到synchronized() {}块外面吗？

A: 不可以。因为while()是测试queue，remove()是使用queue，两者是一个原子操作，不能放在synchronized外面。

总结

多线程设计看似简单，实际上必须非常仔细地考虑各种锁定/同步的条件，稍不小心，就可能出错。并且，当线程较少时，很可能发现不了问题，一旦问题出现又难以调试。

所幸的是，已有一些被验证过的模式可以供我们使用，我们会继续介绍一些常用的多线程设计模式。