求求你，別再用wait和notify了！
阿新 • • 發佈：2020-12-15
`Condition` 是 JDK 1.5 中提供的用來替代 `wait` 和 `notify` 的執行緒通訊方法，那麼一定會有人問：**為什麼不能用 `wait` 和 `notify` 了？** 哥們我用的好好的。老弟彆著急，聽我給你細說...
之所以推薦使用 `Condition` 而非 `Object` 中的 `wait` 和 `notify` 的原因有兩個：
1. **使用 `notify` 在極端環境下會造成執行緒“假死”；**
1. **`Condition` 效能更高。**
接下來怎們就用程式碼和流程圖的方式來演示上述的兩種情況。
# 1.notify 執行緒“假死”
**所謂的執行緒“假死”是指，在使用 `notify` 喚醒多個等待的執行緒時，卻意外的喚醒了一個沒有“準備好”的執行緒，從而導致整個程式進入了阻塞的狀態不能繼續執行。**
以多執行緒程式設計中的經典案例生產者和消費者模型為例，我們先來演示一下執行緒“假死”的問題。
## 1.1 正常版本
在演示執行緒“假死”的問題之前，我們先使用 `wait` 和 `notify` 來實現一個簡單的生產者和消費者模型，為了讓程式碼更直觀，我這裡寫一個超級簡單的實現版本。我們先來建立一個工廠類，工廠類裡面包含兩個方法，一個是迴圈生產資料的（存入）方法，另一個是迴圈消費資料的（取出）方法，實現程式碼如下。
```java
/**
* 工廠類,消費者和生產者通過呼叫工廠類實現生產/消費
*/
class Factory {
private int[] items = new int[1]; // 資料儲存容器(為了演示方便,設定容量最多儲存 1 個元素)
private int size = 0; // 實際儲存大小
/**
* 生產方法
*/
public synchronized void put() throws InterruptedException {
// 迴圈生產資料
do {
while (size == items.length) { // 注意不能是 if 判斷
// 儲存的容量已經滿了,阻塞等待消費者消費之後喚醒
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 進入阻塞");
this.wait();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被喚醒");
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 開始工作");
items[0] = 1; // 為了方便演示,設定固定值
size++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 完成工作");
// 當生產佇列有資料之後通知喚醒消費者
this.notify();
} while (true);
}
/**
* 消費方法
*/
public synchronized void take() throws InterruptedException {
// 迴圈消費資料
do {
while (size == 0) {
// 生產者沒有資料,阻塞等待
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 進入阻塞(消費者)");
this.wait();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被喚醒(消費者)");
}
System.out.println("消費者工作~");
size--;
// 喚醒生產者可以新增生產了
this.notify();
} while (true);
}
}
```
接下來我們來建立兩個執行緒，一個是生產者呼叫 `put` 方法，另一個是消費者呼叫 `take` 方法，實現程式碼如下：
```java
public class NotifyDemo {
public static void main(String[] args) {
// 建立工廠類
Factory factory = new Factory();
// 生產者
Thread producer = new Thread(() -> {
try {
factory.put();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "生產者");
producer.start();
// 消費者
Thread consumer = new Thread(() -> {
try {
factory.take();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "消費者");
consumer.start();
}
}
```
執行結果如下：
從上述結果可以看出，生產者和消費者在迴圈交替的執行任務，場面非常和諧，是我們想要的正確結果。
## 1.2 執行緒“假死”版本
當只有一個生產者和一個消費者時，`wait` 和 `notify` 方法不會有任何問題，然而**將生產者增加到兩個時就會出現執行緒“假死”的問題了，**程式的實現程式碼如下：
```java
public class NotifyDemo {
public static void main(String[] args) {
// 建立工廠方法（工廠類的程式碼不變，這裡不再複述）
Factory factory = new Factory();
// 生產者
Thread producer = new Thread(() -> {
try {
factory.put();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "生產者");
producer.start();
// 生產者 2
Thread producer2 = new Thread(() -> {
try {
factory.put();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "生產者2");
producer2.start();
// 消費者
Thread consumer = new Thread(() -> {
try {
factory.take();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "消費者");
consumer.start();
}
}
```
程式執行結果如下：
從以上結果可以看出，當我們將生產者的數量增加到 2 個時，就會造成執行緒“假死”阻塞執行的問題，當生產者 2 被喚醒又被阻塞之後，整個程式就不能繼續執行了。
#### 執行緒“假死”問題分析
我們先把以上程式的執行步驟標註一下，得到如下結果：
從上圖可以看出：**當執行到第 ④ 步時，此時生產者為工作狀態，而生產者 2 和消費者為等待狀態，此時正確的做法應該是喚醒消費著進行消費，然後消費者消費完之後再喚醒生產者繼續工作；但此時生產者卻錯誤的喚醒了生產者 2，而生產者 2 因為佇列已經滿了，所以自身並不具備繼續執行的能力，因此就導致了整個程式的阻塞**，流程圖如下所示：
正確執行流程應該是這樣的：
## 1.3 使用 Condition
為了解決執行緒的“假死”問題，我們可以使用 `Condition` 來嘗試實現一下，`Condition` 是 JUC（java.util.concurrent）包下的類，需要使用 `Lock` 鎖來建立，`Condition` 提供了 3 個重要的方法：
- `await`：對應 `wait` 方法；
- `signal`：對應 `notify` 方法；
- `signalAll`： `notifyAll` 方法。
`Condition` 的使用和 `wait/notify` 類似，也是先獲得鎖然後在鎖中進行等待和喚醒操作，`Condition` 的基礎用法如下：
```java
// 建立 Condition 物件
Lock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();
// 加鎖
lock.lock();
try {
// 業務方法....
// 1.進入等待狀態
condition.await();
// 2.喚醒操作
condition.signal();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
```
### 小知識：Lock的正確使用姿勢
切記 `Lock` 的 `lock.lock()` 方法不能放入 `try` 程式碼中，如果 `lock` 方法在 `try` 程式碼塊之內，可能由於其它方法丟擲異常，導致在 `finally` 程式碼塊中， `unlock` 對未加鎖的物件解鎖，它會呼叫 `AQS` 的 `tryRelease` 方法（取決於具體實現類），丟擲 `IllegalMonitorStateException` 異常。
### 迴歸主題
回到本文的主題，我們如果使用 `Condition` 來實現執行緒的通訊就可以避免程式的“假死”情況，因為 `Condition` 可以建立多個等待集，以本文的生產者和消費者模型為例，我們可以使用兩個等待集，一個用做消費者的等待和喚醒，另一個用來喚醒生產者，這樣就不會出現生產者喚醒生產者的情況了（生產者只能喚醒消費者，消費者只能喚醒生產者）這樣整個流程就不會“假死”了，它的執行流程如下圖所示：
瞭解了它的基本流程之後，咱們來看具體的實現程式碼。
基於 `Condition` 的工廠實現程式碼如下：
```java
class FactoryByCondition {
private int[] items = new int[1]; // 資料儲存容器(為了演示方便,設定容量最多儲存 1 個元素)
private int size = 0; // 實際儲存大小
// 建立 Condition 物件
private Lock lock = new ReentrantLock();
// 生產者的 Condition 物件
private Condition producerCondition = lock.newCondition();
// 消費者的 Condition 物件
private Condition consumerCondition = lock.newCondition();
/**
* 生產方法
*/
public void put() throws InterruptedException {
// 迴圈生產資料
do {
lock.lock();
while (size == items.length) { // 注意不能是 if 判斷
// 生產者進入等待
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 進入阻塞");
producerCondition.await();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被喚醒");
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 開始工作");
items[0] = 1; // 為了方便演示,設定固定值
size++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 完成工作");
// 喚醒消費者
consumerCondition.signal();
try {
} finally {
lock.unlock();
}
} while (true);
}
/**
* 消費方法
*/
public void take() throws InterruptedException {
// 迴圈消費資料
do {
lock.lock();
while (size == 0) {
// 消費者阻塞等待
consumerCondition.await();
}
System.out.println("消費者工作~");
size--;
// 喚醒生產者
producerCondition.signal();
try {
} finally {
lock.unlock();
}
} while (true);
}
}
```
兩個生產者和一個消費者的實現程式碼如下：
```java
public class NotifyDemo {
public static void main(String[] args) {
FactoryByCondition factory = new FactoryByCondition();
// 生產者
Thread producer = new Thread(() -> {
try {
factory.put();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "生產者");
producer.start();
// 生產者 2
Thread producer2 = new Thread(() -> {
try {
factory.put();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "生產者2");
producer2.start();
// 消費者
Thread consumer = new Thread(() -> {
try {
factory.take();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "消費者");
consumer.start();
}
}
```
程式的執行結果如下圖所示：
從上述結果可以看出，當使用 `Condition` 時，生產者、消費者、生產者 2 會一直交替迴圈執行，執行結果符合我們的預期。
# 2.效能問題
在上面我們演示 `notify` 會造成執行緒的“假死”問題的時候，一定有朋友會想到，如果把 `notify` 換成 `notifyAll` 執行緒就不會“假死”了。
這樣做法確實可以解決執行緒“假死”的問題，但同時會到來新的效能問題，空說無憑，直接上程式碼展示。
以下是使用 `wait` 和 `notifyAll` 改進後的程式碼：
```java
/**
* 工廠類,消費者和生產者通過呼叫工廠類實現生產/消費功能.
*/
class Factory {
private int[] items = new int[1]; // 資料儲存容器(為了演示方便,設定容量最多儲存 1 個元素)
private int size = 0; // 實際儲存大小
/**
* 生產方法
* @throws InterruptedException
*/
public synchronized void put() throws InterruptedException {
// 迴圈生產資料
do {
while (size == items.length) { // 注意不能是 if 判斷
// 儲存的容量已經滿了,阻塞等待消費者消費之後喚醒
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 進入阻塞");
this.wait();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被喚醒");
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 開始工作");
items[0] = 1; // 為了方便演示,設定固定值
size++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 完成工作");
// 喚醒所有執行緒
this.notifyAll();
} while (true);
}
/**
* 消費方法
* @throws InterruptedException
*/
public synchronized void take() throws InterruptedException {
// 迴圈消費資料
do {
while (size == 0) {
// 生產者沒有資料,阻塞等待
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 進入阻塞(消費者)");
this.wait();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被喚醒(消費者)");
}
System.out.println("消費者工作~");
size--;
// 喚醒所有執行緒
this.notifyAll();
} while (true);
}
}
```
依舊是兩個生產者加一個消費者，實現程式碼如下：
```java
public static void main(String[] args) {
Factory factory = new Factory();
// 生產者
Thread producer = new Thread(() -> {
try {
factory.put();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "生產者");
producer.start();
// 生產者 2
Thread producer2 = new Thread(() -> {
try {
factory.put();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "生產者2");
producer2.start();
// 消費者
Thread consumer = new Thread(() -> {
try {
factory.take();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "消費者");
consumer.start();
}
```
執行的結果如下圖所示：
通過以上結果可以看出：**當我們呼叫 `notifyAll` 時確實不會造成執行緒“假死”了，但會造成所有的生產者都被喚醒了，但因為待執行的任務只有一個，因此被喚醒的所有生產者中，只有一個會執行正確的工作，而另一個則是啥也不幹，然後又進入等待狀態，這就行為對於整個程式來說，無疑是多此一舉，只會增加執行緒排程的開銷，從而導致整個程式的效能下降**。
反觀 `Condition` 的 `await` 和 `signal` 方法，即使有多個生產者，程式也只會喚醒一個有效的生產者進行工作，如下圖所示：
生產者和生產者 2 依次會被交替的喚醒進行工作，所以這樣執行時並沒有任何多餘的開銷，從而相比於 `notifyAll` 而言整個程式的效能會提升不少。
# 總結
本文我們通過程式碼和流程圖的方式演示了 `wait` 方法和 `notify/notifyAll` 方法的使用缺陷，它的缺陷主要有兩個，一個是在極端環境下使用 `notify` 會造成程式“假死”的情況，另一個就是使用 `notifyAll` 會造成效能下降的問題，因此在進行執行緒通訊時，強烈建議使用 `Condition` 類來實現。
> PS：有人可能會問為什麼不用 Condition 的 signalAll 和 notifyAll 進行效能對比？而使用 signal 和 notifyAll 進行對比？我只想說，既然使用 signal 可以實現此功能，為什麼還要使用 signalAll 呢？這就好比在有暖氣的 25 度的房間裡，穿一件短袖就可以了，為什麼還要穿一件棉襖呢？
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