【Java】多執行緒系列05(執行緒等待與喚醒)
1、wait(),notify(),notifyAll()等方法介紹
在Object.java中，定義了wait(), notify()和notifyAll()等介面。wait()的作用是讓當前執行緒進入等待狀態，同時，wait()也會讓當前執行緒釋放它所持有的鎖。而notify()和notifyAll()的作用，則是喚醒當前物件上的等待執行緒；notify()是喚醒單個執行緒，而notifyAll()是喚醒所有的執行緒。
Object類中關於等待/喚醒的API詳細資訊如下：
- notify()– 喚醒在此物件監視器上等待的單個執行緒。
- notifyAll()– 喚醒在此物件監視器上等待的所有執行緒。
- wait() – 讓當前執行緒處於“等待(阻塞)狀態”，“直到其他執行緒呼叫此物件的 notify() 方法或 notifyAll() 方法”，當前執行緒被喚醒(進入“就緒狀態”)。
- wait(long timeout)– 讓當前執行緒處於“等待(阻塞)狀態”，“直到其他執行緒呼叫此物件的 notify() 方法或 notifyAll() 方法，或者超過指定的時間量”，當前執行緒被喚醒(進入“就緒狀態”)。
- wait(long timeout, int nanos) – 讓當前執行緒處於“等待(阻塞)狀態”，“直到其他執行緒呼叫此物件的 notify() 方法或 notifyAll() 方法，或者其他某個執行緒中斷當前執行緒，或者已超過某個實際時間量”，當前執行緒被喚醒(進入“就緒狀態”)。
2、wait()和notify()示例
下面通過示例演示”wait()和notify()配合使用的情形”。
// WaitTest.java的原始碼
class ThreadA extends Thread{
public ThreadA(String name) {
super(name);
}
public void run() {
synchronized (this) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" call notify()" 執行結果:
main start t1
main wait()
t1 call notify()
main continue結果說明：
如下圖，說明了“主執行緒”和“執行緒t1”的流程。
(01)注意，圖中”主執行緒” 代表“主執行緒main”。”執行緒t1” 代表WaitTest中啟動的“執行緒t1”。 而“鎖” 代表“t1這個物件的同步鎖”。
(02)“主執行緒”通過 new ThreadA(“t1”) 新建“執行緒t1”。隨後通過synchronized(t1)獲取“t1物件的同步鎖”。然後呼叫t1.start()啟動“執行緒t1”。
(03)“主執行緒”執行t1.wait() 釋放“t1物件的鎖”並且進入“等待(阻塞)狀態”。等待t1物件上的執行緒通過notify() 或 notifyAll()將其喚醒。
(04)“執行緒t1”執行之後，通過synchronized(this)獲取“當前物件的鎖”；接著呼叫notify()喚醒“當前物件上的等待執行緒”，也就是喚醒“主執行緒”。
(05)“執行緒t1”執行完畢之後，釋放“當前物件的鎖”。緊接著，“主執行緒”獲取“t1物件的鎖”，然後接著執行。
對於上面的程式碼？曾經有個朋友問到過：t1.wait()應該是讓“執行緒t1”等待；但是，為什麼卻是讓“主執行緒main”等待了呢？
在解答該問題前，我們先看看jdk文件中關於wait的一段介紹：
引起“當前執行緒”等待，直到另外一個執行緒呼叫notify()或notifyAll()喚醒該執行緒。換句話說，這個方法和wait(0)的效果一樣！(補充，對於wait(long millis)方法，當millis為0時，表示無限等待，直到被notify()或notifyAll()喚醒)。
“當前執行緒”在呼叫wait()時，必須擁有該物件的同步鎖。該執行緒呼叫wait()之後，會釋放該鎖；然後一直等待直到“其它執行緒”呼叫物件的同步鎖的notify()或notifyAll()方法。然後，該執行緒繼續等待直到它重新獲取“該物件的同步鎖”，然後就可以接著執行。
**注意:**jdk的解釋中，說wait()的作用是讓“當前執行緒”等待，而“當前執行緒”是指正在cpu上執行的執行緒！
這也意味著，雖然t1.wait()是通過“執行緒t1”呼叫的wait()方法，但是呼叫t1.wait()的地方是在“主執行緒main”中。而主執行緒必須是“當前執行緒”，也就是執行狀態，才可以執行t1.wait()。所以，此時的“當前執行緒”是“主執行緒main”！因此，t1.wait()是讓“主執行緒”等待，而不是“執行緒t1”。
3、wait(long timeout)和notify()
wait(long timeout)會讓當前執行緒處於“等待(阻塞)狀態”，“直到其他執行緒呼叫此物件的 notify() 方法或 notifyAll() 方法，或者超過指定的時間量”，當前執行緒被喚醒(進入“就緒狀態”)。
下面的示例就是演示wait(long timeout)在超時情況下，執行緒被喚醒的情況。
// WaitTimeoutTest.java的原始碼
class ThreadA extends Thread{
public ThreadA(String name) {
super(name);
}
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " run ");
// 死迴圈，不斷執行。
while(true)
;
}
}
public class WaitTimeoutTest {
public static void main(String[] args) {
ThreadA t1 = new ThreadA("t1");
synchronized(t1) {
try {
// 啟動“執行緒t1”
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " start t1");
t1.start();
// 主執行緒等待t1通過notify()喚醒 或 notifyAll()喚醒，或超過3000ms延時；然後才被喚醒。
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " call wait ");
t1.wait(3000);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " continue");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}執行結果：
main start t1
main call wait
t1 run // 大約3秒之後...輸出“main continue”
main continue結果說明：
如下圖，說明了“主執行緒”和“執行緒t1”的流程。
(01)注意，圖中”主執行緒” 代表WaitTimeoutTest主執行緒(即，執行緒main)。”執行緒t1” 代表WaitTest中啟動的執行緒t1。 而“鎖” 代表“t1這個物件的同步鎖”。
(02)主執行緒main執行t1.start()啟動“執行緒t1”。
(03)主執行緒main執行t1.wait(3000)，此時，主執行緒進入“阻塞狀態”。需要“用於t1物件鎖的執行緒通過notify() 或者 notifyAll()將其喚醒” 或者 “超時3000ms之後”，主執行緒main才進入到“就緒狀態”，然後才可以執行。
(04)“執行緒t1”執行之後，進入了死迴圈，一直不斷的執行。
(05)超時3000ms之後，主執行緒main會進入到“就緒狀態”，然後接著進入“執行狀態”。
4、wait() 和 notifyAll()
通過前面的示例，我們知道 notify() 可以喚醒在此物件監視器上等待的單個執行緒。
下面，我們通過示例演示notifyAll()的用法；它的作用是喚醒在此物件監視器上等待的所有執行緒。
public class NotifyAllTest {
private static Object obj = new Object();
public static void main(String[] args) {
ThreadA t1 = new ThreadA("t1");
ThreadA t2 = new ThreadA("t2");
ThreadA t3 = new ThreadA("t3");
t1.start();
t2.start();
t3.start();
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" sleep(3000)");
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized(obj) {
// 主執行緒等待喚醒。
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" notifyAll()");
obj.notifyAll();
}
}
static class ThreadA extends Thread{
public ThreadA(String name){
super(name);
}
public void run() {
synchronized (obj) {
try {
// 列印輸出結果
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " wait");
// 喚醒當前的wait執行緒
obj.wait();
// 列印輸出結果
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " continue");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}執行結果：
t1 wait
main sleep(3000)
t3 wait
t2 wait
main notifyAll()
t2 continue
t3 continue
t1 continue結果說明：
參考下面的流程圖。
(01)主執行緒中新建並且啟動了3個執行緒”t1”, “t2”和”t3”。
(02)主執行緒通過sleep(3000)休眠3秒。在主執行緒休眠3秒的過程中，我們假設”t1”, “t2”和”t3”這3個執行緒都運行了。以”t1”為例，當它執行的時候，它會執行obj.wait()等待其它執行緒通過notify()或額nofityAll()來喚醒它；相同的道理，”t2”和”t3”也會等待其它執行緒通過nofity()或nofityAll()來喚醒它們。
(03)主執行緒休眠3秒之後，接著執行。執行 obj.notifyAll() 喚醒obj上的等待執行緒，即喚醒”t1”, “t2”和”t3”這3個執行緒。 緊接著，主執行緒的synchronized(obj)執行完畢之後，主執行緒釋放“obj鎖”。這樣，”t1”, “t2”和”t3”就可以獲取“obj鎖”而繼續運行了！
5、為什麼notify(), wait()等函式定義在Object中，而不是Thread中
Object中的wait(), notify()等函式，和synchronized一樣，會對“物件的同步鎖”進行操作。
wait()會使“當前執行緒”等待，因為執行緒進入等待狀態，所以執行緒應該釋放它鎖持有的“同步鎖”，否則其它執行緒獲取不到該“同步鎖”而無法執行！
OK，執行緒呼叫wait()之後，會釋放它鎖持有的“同步鎖”；而且，根據前面的介紹，我們知道：等待執行緒可以被notify()或notifyAll()喚醒。
現在，請思考一個問題：notify()是依據什麼喚醒等待執行緒的？或者說，wait()等待執行緒和notify()之間是通過什麼關聯起來的？答案是：依據“物件的同步鎖”。
負責喚醒等待執行緒的那個執行緒(我們稱為“喚醒執行緒”)，它只有在獲取“該物件的同步鎖”(這裡的同步鎖必須和等待執行緒的同步鎖是同一個)，並且呼叫notify()或notifyAll()方法之後，才能喚醒等待執行緒。雖然，等待執行緒被喚醒；但是，它不能立刻執行，因為喚醒執行緒還持有“該物件的同步鎖”。必須等到喚醒執行緒釋放了“物件的同步鎖”之後，等待執行緒才能獲取到“物件的同步鎖”進而繼續執行。
總之，notify(), wait()依賴於“同步鎖”，而“同步鎖”是物件鎖持有，並且每個物件有且僅有一個！這就是為什麼notify(), wait()等函式定義在Object類，而不是Thread類中的原因。