Java 多线程同步问题的探究（四、协作，互斥下的协作——Java多线程协作（wait、notify、notifyAll））

Java监视器支持两种线程：互斥和协作 。

前面我们介绍了采用对象锁和重入锁来实现的互斥。这一篇中，我们来看一看线程的协作。

举个例子：有一家汉堡店举办吃汉堡比赛，决赛时有3个顾客来吃，3个厨师来做，一个服务员负责协调汉堡的数量。为了避免浪费，制作好的汉堡被放进一个能装 有10个汉堡的长条状容器中，按照先进先出的原则取汉堡。如果容器被装满，则厨师停止做汉堡，如果顾客发现容器内的汉堡吃完了，就可以拍响容器上的闹铃， 提醒厨师再做几个汉堡出来。此时服务员过来安抚顾客，让他等待。而一旦厨师的汉堡做出来，就会让服务员通知顾客，汉堡做好了，让顾客继续过来取汉堡。

这里，顾客其实就是我们所说的消费者，而厨师就是生产者。容器是决定厨师行为的监视器，而服务员则负责监视顾客的行为。

在JVM中，此种监视器被称为等待并唤醒监视器 。

 

在这种监视器中，一个已经持有该监视器的线程 ，可以通过调用 监视对象的wait方法 ，暂停 自身的执行，并释放监视器 ，自己进入一个等待区 ，直到监视器内的 其他线程调用 了监视对象的notify方法 。当一个线程调用唤醒 命令以后，它会持续持有监视器，直到它主动释放监视器。而这之后，等待线程会苏醒，其中的 一个会重新获得监视器，判断条件状态，以便决定是否继续进入等待状态或者执行监视区域，或者退出。

 

package sky.cn.test4;

public class NotifyTest {
	private String flag = "true";
	
	class NotifyThread extends Thread {
		public NotifyThread (String name) {
			super(name);
		}
		
		public void run() {
			try {
				sleep(3000);	//延迟3秒通知
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			
			flag = "false";
			flag.notify();
		}
	}
	
	class WaitThread extends Thread {
		public WaitThread(String name) {
			super(name);
		}
		
		public void run() {
			while (flag != "false") {
				System.out.println(getName() + " begin waiting!");
				long startTime = System.currentTimeMillis();
				try {
					flag.wait();
				} catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				}
				long endTime = System.currentTimeMillis();
				System.out.println(getName() + " wai time: " + (endTime - startTime));
			}
			System.out.println(getName() + " end waiting!");
		}
	}
	
	public static void main(String[] args) {
		System.out.println("Main Thread Run!");
		NotifyTest test = new NotifyTest();
		NotifyThread notifyThread = test.new NotifyThread("notify01");
		WaitThread waitThread01 = test.new WaitThread("waitThread01");
		WaitThread waitThread02 = test.new WaitThread("waitThread02");
		WaitThread waitThread03 = test.new WaitThread("waitThread03");
		notifyThread.start();
		waitThread01.start();
		waitThread02.start();
		waitThread03.start();
	}
}

 这段代码启动了三个 简单的wait线程 ，当他们处于等待状态以后，试图由一个notify线程 来唤醒。

 

运行这段程序，你会发现，满屏的java.lang.IllegalMonitorStateException ，根本不是你想要的结果。

 

请注意以下几个事实：
   1. 任何一个时刻，对象的控制权（monitor）只能被一个线程拥有。
   2. 无论是执行对象的wait、notify还是notifyAll方法，必须保证当前运行的线程取得了该对象的控制权（monitor）。
   3. 如果在没有控制权的线程里执行对象的以上三种方法，就会报java.lang.IllegalMonitorStateException异常 。
   4. JVM基于多线程，默认情况下不能保证运行时线程的时序性。

也就是说，当线程在调用某个对象的wait或者notify方法的时候，要先取得该对象的控制权，换句话说，就是进入这个对象的监视器。

 

通过前面对同步的讨论，我们知道，要让一个线程进入某个对象的监视器 ，通常有三种方法 ：

1： 执行对象的某个同步实例方法
2： 执行对象对应的同步静态方法
3： 执行对该对象加同步锁的同步块

显然，在上面的例程中，我们用第三种方法比较合适。

于是我们将上面的wait和notify方法调用包在同步块中。

 

			synchronized (flag) {
				flag = "false";
				flag.notify();
			}

 

			synchronized (flag) {
				while (flag != "false") {
					System.out.println(getName() + " begin waiting!");
					long startTime = System.currentTimeMillis();
					try {
						flag.wait();
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}
					long endTime = System.currentTimeMillis();
					System.out.println(getName() + " wai time: " + (endTime - startTime));
				}
				System.out.println(getName() + " end waiting!");
			}

 但是，运行这个程序，我们发现事与愿违。那个非法监视器异常 又出现了。。。

 

我们注意到，针对flag的同步块 中，我们实际上已经更改了flag对对象的引用： flag="false";

 

显然，这样一来，同步块也无能为力了，因为我们根本不是针对唯一的一个对象在进行同步 。

 

我们不妨将flag封装到JavaBean或者数组中去，这样用JavaBean对象或者数组对象进行同步 ，就可以达到既能修改里面参数又不耽误同步的目的。

private String[] flag = {"true"}; 

 

			synchronized (flag) {
				flag[0] = "false";
				flag.notify();
			}

 

			synchronized (flag) {
				while (flag[0] != "false") {
					System.out.println(getName() + " begin waiting!");
					long startTime = System.currentTimeMillis();
					try {
						flag.wait();
					} catch (InterruptedException e) {
						e.printStackTrace();
					}
					long endTime = System.currentTimeMillis();
					System.out.println(getName() + " wait time: " + (endTime - startTime));
				}
				System.out.println(getName() + " end waiting!");
			}

 运行这个程序，看不到异常了 。但是仔细观察结果，貌似只有一个线程被唤醒 。利用jconsole等工具查看线程状态，发现的确还是有两个线程被阻塞的。这是为啥呢？

程序中使用了flag.notify()方法 。只能是随机的唤醒一个线程 。我们可以改用flag.notifyAll()方法 。这样，所有被阻塞的线程都会被唤醒了。

最终代码请读者自己修改，这里不再赘述。

好了，亲爱的读者们，让我们回到开篇提到的汉堡店大赛问题当中去，来看一看厨师、服务生和顾客是怎么协作进行这个比赛的。

首先我们构造故事中的三个次要对象：汉堡包、存放汉堡包的容器、服务生

 

package sky.cn.test4;
/**
 *	服务生，配角，不需要属性 
 */
public class Waiter {

}

 

package sky.cn.test4;
/**
 * 汉堡包 
 */
public class Hamberg {
	
	private int id; 				//汉堡编号
	private String cookerId;		//厨师编号
	
	public Hamberg(int id, String cookerId) {
		this.id = id;
		this.cookerId = cookerId;
		System.out.println(this.toString());
	}
	
	public String toString() {
		return "#hamberg " + id + "c" + cookerId + " makes by cooker " + cookerId;
	}
}

 

package sky.cn.test4;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * 汉堡包容器
 */
public class HambergFifo {
	List<Hamberg> hambergs = new ArrayList<Hamberg>();
	int maxSize = 10;
	
	//放入汉堡
	public <T extends Hamberg> void push(T t) {
		hambergs.add(t);
	}
	
	//取出汉堡
	public Hamberg pop() {
		Hamberg h = hambergs.get(0);
		hambergs.remove(0);
		return h;
	}
	
	//判断容器是否为空
	public synchronized boolean isEmpty() {
		return hambergs.isEmpty();
	}
	
	//判断容器内汉堡的个数
	public synchronized int size() {
		return hambergs.size();
	}
	
	//返回窗口的最大容量
	public synchronized int getMaxSize() {
		return this.maxSize;
	}
	
	//判断容器是否已满，未满为真
	public synchronized boolean isNotFull() {
		return hambergs.size() < this.maxSize;
	}
}

 

接下来我们构造厨师对象：

package sky.cn.test4;

/**
 * 厨师 
 */
public class Cooker implements Runnable {
	HambergFifo pool;		//厨师要面对容器
	Waiter waiter;			//还要面对服务生
	
	public Cooker(Waiter waiter, HambergFifo pool) {
		this.pool = pool;
		this.waiter = waiter;
	}
	
	//制造汉堡
	public void makeHamberg() {
		//制造的个数
		int madeCount = 0;
		//因为容器满，被迫等待的次数
		int fullFiredCount = 0;
		
		String threadName = Thread.currentThread().getName();
		
		try {
			while (true) {
				Thread.sleep(1000);
				synchronized (pool) {
					if (pool.isNotFull()) {
						synchronized (waiter) {
							//容器未满，　制作汉堡，　并放入容器
							pool.push(new Hamberg(++madeCount, threadName));
							//说出容器内汉堡数量
							System.out.println(threadName + ": There are "
									+ pool.size() + " hambergs in all");
							//让服务生通知顾客，有汉堡可以吃了
							waiter.notifyAll();
							System.out.println("### Cooker: waiter.notifyAll(): "
									+ " Hi!Customers, we got some new hambergs.");
							
						}
					} else {
						if (fullFiredCount++ < 10) {
							//发现容器满了，停止做汉堡的尝试
							System.out.println(threadName + " : Hamberg Pool is Full," +
									" stop making hamberg");
							
							System.out.println("### Cooker: pool.wait()");
							//汉堡容器的状况使厨师等待
							pool.wait();
						} else {
							return ;
						}
					}
				}
				
				//做完汉堡要进行收尾工作，为下一次的制作做准备
				Thread.sleep(1000);
			}
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
			madeCount--;
		}
	}

	public void run() {
		makeHamberg();
	}
}

 

接下来，我们构造顾客对象：

package sky.cn.test4;

import java.util.Random;

/**
 *	顾客 
 */

public class Customer implements Runnable {
	
	Waiter waiter;					//顾客要面对服务生
	HambergFifo pool;				//也要面对汉堡包容器
	int ateCount = 0;				//想要记下自己吃了多少汉堡
	long sleepTime;					//吃每个汉堡的时间不尽相同
	Random r = new Random();		//用于产生随机数
	
	public Customer(Waiter waiter, HambergFifo pool) {
		this.waiter = waiter;
		this.pool = pool;
	}
	
	public void run() {
		while (true) {
			try {
				//取汉堡
				getHamberg();
				//吃汉堡
				eatHamberg();
			} catch (Exception e) {
				synchronized (waiter) {
					System.out.println(e.getMessage());
					//若取不到汉堡，要和服务生打交道
					try {
						System.out.println("###Customer: waiter.wait():" + 
								" Sorry, sir, there is no hambergs left, please wait");
						System.out.println(Thread.currentThread().getName() + 
								": OK, waiting for a new hamberg");
						//服务生安抚客户，让他等待
						waiter.wait();
						continue;
					} catch (InterruptedException ie) {
						ie.printStackTrace();
					}
				}
			}
		}
	}
	
	private void eatHamberg() {
		try {
			//吃每个汉堡的时间不等
			sleepTime = Math.abs(r.nextInt(3000)) * 5;
			System.out.println(Thread.currentThread().getName()
					+ " : I`m eating the hamberg for " + sleepTime 
					+ " milliseconds");
			
			Thread.sleep(sleepTime);
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}
	
	private void getHamberg() {
		Hamberg hamberg = null;
		
		synchronized (pool) {
			try {
				//从容器内取汉堡
				hamberg = pool.pop();
				ateCount++;
				System.out.println(Thread.currentThread().getName() 
						+ ": I got " + ateCount + "th hamberg " + hamberg);
				System.out.println(Thread.currentThread().getName()
						+ ": There are still " + pool.size() + " hambergs left");
			} catch (Exception e) {
				pool.notifyAll();
				System.out.println("### Customer: pool.notifyAll()");
				throw new RuntimeException(Thread.currentThread().getName() + 
						": Oh my god!!! No hambergs left, waiter!" +
						" [Ring the bell besides the hamberg pool]");
			}
		}
	}

}

 最后，我们构造汉堡店，让这个故事发生：

package sky.cn.test4;

public class HambergShop {
	
	Waiter waiter = new Waiter();
	HambergFifo hambergPool = new HambergFifo();
	Customer customer = new Customer(waiter, hambergPool);
	Cooker cooker = new Cooker(waiter, hambergPool);
	
	public static void main(String[] args) {
		HambergShop hambergShop = new HambergShop();
		Thread t1 = new Thread(hambergShop.customer, "1");
		Thread t2 = new Thread(hambergShop.customer, "2");
		Thread t3 = new Thread(hambergShop.customer, "3");
		Thread t4 = new Thread(hambergShop.cooker, "1");
		Thread t5 = new Thread(hambergShop.cooker, "2");
		Thread t6 = new Thread(hambergShop.cooker, "3");
		
		t4.start();
		t5.start();
		t6.start();
		try {
			Thread.sleep(10000);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		
		t1.start();
		t2.start();
		t3.start();
	}
}

 运行这个程序吧，然后你会看到我们汉堡店的比赛进行的很好，只是不知道那些顾客是不是会被撑到。。。

读到这里，有的读者可能会想到前面介绍的重入锁ReentrantLock。
有的读者会问：如果我用ReentrantLock来代替上面这些例程当中的 synchronized块，是不是也可以呢？感兴趣的读者不妨一试。

 

但是在这里，我想提前给出结论，就是，
如果用ReentrantLock的lock()和unlock()方法代替上面的synchronized块 ，那么上面这些程序还是要抛出 java.lang.IllegalMonitorStateException异常 的，不仅如此，你甚至还会看到线程死锁 。原因就是当某个线程调用第三 方对象的wait或者notify方法的时候，并没有进入第三方对象的监视器，于是抛出了异常信息 。但此时，程序流程如果没有用finally来处理 unlock方法，那么你的线程已经被lock方法上锁，并且无法解锁。程序在java.util.concurrent框架的语义级别死锁了 ，你用 JConsole这种工具来检测JVM死锁，还检测不出来。

 

正确的做法就是，只使用ReentrantLock，而不使用wait或者notify方法 。因为ReentrantLock已经对这种互斥和协作进行了概括。所以，根据你程序的需要，请单独采用重入锁或者synchronized一种同步机制，最好不要混用 。

 

好了，我们现在明白：

1. 线程的等待或者唤醒，并不是让线程调用自己的wait或者notify方法，而是通过调用线程共享对象的wait或者notify方法来实现。
2. 线程要调用某个对象的wait或者notify方法，必须先取得该对象的监视器。
3. 线程的协作必须以线程的互斥为前提，这种协作实际上是一种互斥下的协作 。

下一讲当中，我们来看看如何实实在在的解决线程之间抢占共享资源的问题。敬请期待！

 

来源： http://www.blogjava.net/zhangwei217245/archive/2010/04/24/316526.html