wait,notify,notifyAll从使用到原理图详解（含高频面试题和使用wait_notify实现生产者消费者问题）

1 wait,notify,notifyAll方法详解

1.1 作用、用法

我们可以通过上面方法控制一些线程去休息或唤醒

当一个线程使用wait方法时，这个线程被阻塞（阻塞阶段）并且释放锁

由阻塞状态变为唤醒阶段有几种情况？

  1. 另一个线程调用这个对象的notify()方法且刚好被唤醒的是本线程
  2. 另一个线程调用这个对象的notifyAll()方法
  3. 过了wait( long timeout )规定的时间，如果传入0就是永久等待
  4. 线程自身调用了interrupt()

遇到中断会由阻塞状态变为唤醒状态

public static void main (String[] args) throws InterruptedException {Thread t1 = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run () {try {System.out.println("t1 begin sleep 2000 seconds");Thread.sleep(2000000);System.out.println("t1 awaking");} catch (InterruptedException e) {System.out.println("t1 is interrupted while sleeping");return;}System.out.println("t1 continue working");}});t1.start();Thread.sleep(1000);//打断子线程的休眠，让子线程从sleep函数返回t1.interrupt();//等待子线程执行完毕t1.join();System.out.println("main thread is over");
}

输出

在这里插入图片描述

1.2 代码演示

wait演示

public class Wait {static Object object = new Object();static class Thread1 extends Thread{@Overridepublic void run () {synchronized (object){System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"开始执行");try {object.wait();//释放了锁，并且将线程t1阻塞} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"释放了锁");}}}static class Thread2 extends Thread{@Overridepublic void run () {synchronized (object){object.notify();System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"调用了notify()");}}}public static void main (String[] args) throws InterruptedException {Thread1 t1 = new Thread1();Thread2 t2 = new Thread2();t1.start();Thread.sleep(2000);t2.start();}
}

输出

线程Thread-0开始执行
线程Thread-1调用了notify()
线程Thread-0释放了锁

描述一下代码执行的整个过程：

  • 线程t1得到了锁object,打印出"线程Thread-0开始执行"
  • 线程执行到了object.wait()。锁object被释放，线程t1被阻塞
  • 线程t2得到了锁object，执行语句object.notify()，此时线程t1被
  • 唤醒，但是该线程不能获得锁object。必须要等t2释放了锁之后才能运行
  • t1重新获取到锁之后会返回之前的位置，继续执行代码

notifyAll演示

/*** 线程1和2首先被阻塞，线程3唤醒它们*/
public class WaitNotifyAll implements Runnable{private static final Object resourceA = new Object();@Overridepublic void run () {synchronized (resourceA){System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"got resourceA lock.");try {System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"waits to start.");resourceA.wait();System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"got resourceA lock too.");} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}public static void main (String[] args) throws InterruptedException {WaitNotifyAll r = new WaitNotifyAll();Thread t1 = new Thread(r);Thread t2 = new Thread(r);Thread t3 = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run () {synchronized (resourceA) {resourceA.notifyAll();System.out.println("ThreadC notified.");}}});t1.start();t2.start();Thread.sleep(4000);t3.start();}
}

输出

Thread-0got resourceA lock.
Thread-0waits to start.
Thread-1got resourceA lock.
Thread-1waits to start.
ThreadC notified.
Thread-0got resourceA lock too.
Thread-1got resourceA lock too.

notify演示

public class WaitNotifyAll implements Runnable{private static final Object resourceA = new Object();@Overridepublic void run () {synchronized (resourceA){System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"got resourceA lock.");try {System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"waits to start.");resourceA.wait();System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"got resourceA lock too.");} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}public static void main (String[] args) throws InterruptedException {WaitNotifyAll r = new WaitNotifyAll();Thread t1 = new Thread(r);Thread t2 = new Thread(r);Thread t3 = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run () {synchronized (resourceA) {resourceA.notify();System.out.println("ThreadC notified.");}}});t1.start();t2.start();Thread.sleep(4000);t3.start();}
}

输出

在这里插入图片描述

证明wait只会释放当前这把锁monitor

/*** 证明wait只释放当前的那把锁*/
public class WaitNotifyReleaseOwnMonitor {private static Object resourceA = new Object();private static Object resourceB = new Object();public static void main (String[] args) {Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run () {synchronized (resourceA) {System.out.println("ThreadA got resourceA lock.");synchronized (resourceB) {System.out.println("ThreadA got resourceB lock.");try {System.out.println("ThreadA releases resourceA lock.");resourceA.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}}});Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run () {try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}synchronized (resourceA) {System.out.println("ThreadB got resourceA lock.");System.out.println("ThreadB try got resourceA lock.");synchronized (resourceB) {System.out.println("ThreadB got resourceB lock.");}}}});thread1.start();thread2.start();}
}

输出

在这里插入图片描述

1.3 特点、性质

  1. 执行到 wait , notify , notifyAll 时，我们必须获取到monitor（三个方法的使用大多数是在synchronized代码块中）
  2. notify方法只会唤醒一个线程，这个被唤醒的线程不是由我们决定的。而是由JVM决定的
  3. 以上三个方法都是Object类的方法，而且都是native
  4. 类似功能的Condition
  5. 同时持有多个锁的情况：上面代码thread1同时持有resourceA和resourceB两把锁。wait只能释放当前锁。所以很容易发生死锁

1.4 wait原理

在这里插入图片描述

要明白途中数字代表的情况

现在我们来补充之前线程六大状态转移图

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

2 生产者消费者—使用wait_notify实现

问题引入：现实生活中生产者消费者之间的速度可能不匹配。其中有可能生产者比较快，也有可能生产者比较慢，可能会出现等待现象。这个时候出现了一个设计模式——生产者消费者模式很好的解决了等待问题。该模式实际上将生产者和消费者进行解耦，提高了两者之间的默契度。该模式通常利用一个容器（通常是阻塞队列）来解决两者之间的耦合问题。两者之间的通信通过容器完成

通信大致如下：

在这里插入图片描述

代码演示

/*** 生产者消费者模式：wait/notify*/
public class ProducerConsumerModel {public static void main (String[] args) {EventStorage eventStorage = new EventStorage();Producer producer = new Producer(eventStorage);Consumer consumer = new Consumer(eventStorage);Thread pro = new Thread(producer);Thread con = new Thread(consumer);pro.start();con.start();}
}class Producer implements Runnable{private EventStorage storage;public Producer (EventStorage storage) {this.storage = storage;}@Overridepublic void run () {for (int i = 0; i < 100; i++) {storage.put();}}
}
class Consumer implements Runnable{private EventStorage storage;public Consumer (EventStorage storage) {this.storage = storage;}@Overridepublic void run () {for (int i = 0; i < 100; i++) {storage.take();}}
}class EventStorage{private int maxSize;private LinkedList<Date> storage;public EventStorage () {}{this.maxSize = 10;this.storage = new LinkedList<>();}/*** 放入* synchronized修饰默认方法：锁对象默认是this*/public synchronized void put(){while (storage.size() == maxSize){//如果满了等待try {wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}storage.add(new Date());System.out.println("仓库里有了"+storage.size()+"个产品");notify();//唤醒沉睡的消费者}/*** 拿出*/public synchronized void take(){while(storage.isEmpty()){try {wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println("拿到了"+storage.poll()+",现在仓库还剩下 "+storage.size());notify();//通知生产者干活了}
}

输出

仓库里有了1个产品
仓库里有了2个产品
仓库里有了3个产品
仓库里有了4个产品
仓库里有了5个产品
仓库里有了6个产品
仓库里有了7个产品
仓库里有了8个产品
仓库里有了9个产品
仓库里有了10个产品
拿到了Fri May 10 14:42:34 CST 2024,现在仓库还剩下 9
拿到了Fri May 10 14:42:34 CST 2024,现在仓库还剩下 8
拿到了Fri May 10 14:42:34 CST 2024,现在仓库还剩下 7
拿到了Fri May 10 14:42:34 CST 2024,现在仓库还剩下 6
拿到了Fri May 10 14:42:34 CST 2024,现在仓库还剩下 5
拿到了Fri May 10 14:42:34 CST 2024,现在仓库还剩下 4
拿到了Fri May 10 14:42:34 CST 2024,现在仓库还剩下 3
拿到了Fri May 10 14:42:34 CST 2024,现在仓库还剩下 2
拿到了Fri May 10 14:42:34 CST 2024,现在仓库还剩下 1
拿到了Fri May 10 14:42:34 CST 2024,现在仓库还剩下 0
...
仓库里有了1个产品
仓库里有了2个产品
拿到了Fri May 10 14:42:34 CST 2024,现在仓库还剩下 1
拿到了Fri May 10 14:42:34 CST 2024,现在仓库还剩下 0
仓库里有了1个产品
仓库里有了2个产品
仓库里有了3个产品
仓库里有了4个产品
仓库里有了5个产品
仓库里有了6个产品
仓库里有了7个产品
仓库里有了8个产品
仓库里有了9个产品
仓库里有了10个产品

3 面试题

写代码：实现两个线程交替打印0~100的奇偶数

描述：一个线程打印奇数，一个线程打印偶数。它们之间交替打印

思路：使用关键字synchronized

/*** 实现两个线程交替打印0~100的奇偶数* 使用synchronized*/
public class WaitNotifyPrintEvenSyn {private static int i = 0;private static Object lock = new Object();public static void main (String[] args) {new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run () {while (i < 100) {synchronized (lock) {if ((i & 1) == 0) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 打印 " + i);i++;}}}}}).start();new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run () {while (i < 100) {synchronized (lock) {if ((i & 1) == 1) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 打印 " + i);i++;}}}}}).start();}
}

思路：使用wait/notify(更好)

/*** 使用wait/notify* 1. 拿到锁，我们打印* 2. 唤醒别人，休眠自己*/
public class WaitNotifyPrintOddEveWait {private static int i = 0;private static Object lock = new Object();static class TurnningThread implements Runnable{@Overridepublic void run () {while(i<100){synchronized (lock){System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":"+i++);lock.notify();try {lock.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}}}public static void main (String[] args) {TurnningThread turnningThread = new TurnningThread();new Thread(turnningThread,"x").start();new Thread(turnningThread,"y").start();}
}

注意：上面的代码的逻辑一定要在脑子里面想好

手写生产者消费者设计模式

这个前面有

为什么wait()需要在同步代码块内使用，而sleep()不需要

答案：主要是为了让通信变得可靠，防止死锁等待的发生。如果我们没有将wait/notify/notifyAll放在同步代码块中，没了同步代码块的保护，就会发生一种现象：在线程快要执行到了wait()时，线程突然被切换。切换到线程2上面，执行了线程2的notify()。这样就在wait()之前执行了notify()。这样不符合我们设计wait/notify的初衷（wait方法尽量要在notify方法之前执行）。所以设计者考虑上面的问题，将需要多个线程之间的配合的动作（方法）在同步代码块中执行。但是sleep()针对一个线程的方法，所以不必要在同步代码块中

为什么线程通信的方法wait(), notify(), notifyAll()被定义在Object类中？而sleep定义在Thread类中

答案：在Java规定中wait(), notify(), notifyAll()是锁级别的操作，而锁是属于对象的而不是线程中。如果将wait(), notify(), notifyAll()变为线程级别的操作，因为一个线程可能有多个锁，我们没有办法实现上面这样的灵活的逻辑了

wait方法属于Object对象的，那调用Thread.wait会怎样？

答案：因为wait是锁级别的，这样调用就表示Thread是一个锁。Thread还是一个特殊的存在：当线程退出的时候会自动地执行notify（ JVM源码中有）。所以我们调用wait方法或常见锁对象的时候不要使用Thread类

如何选择notify和notifyAll？

唤醒一个线程和唤醒多个问题

调用notifyAll之后所有的线程全部被唤醒，它们会一起抢夺锁，如果某线程抢夺失败怎么办？

失败者会等待重新释放锁，然后再次抢

用suspend()和resume()来阻塞线程可以吗？为什么？

不推荐，推荐使用wait和notify来实现相关功能

悟空老师课程笔记
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