欢迎您访问程序员文章站本站旨在为大家提供分享程序员计算机编程知识!
您现在的位置是: 首页  >  IT编程

Java并发之等待/通知机制

程序员文章站 2023-10-17 09:39:23
描述Object wait()/notify()跟Condition await()/signal()的基本用法,三连问:解释为什么wait() 要放在while里面?为什么wait()方法放在Object对象中?为什么wait()必须在同步方法/代码块中调用?以及这两种通知/等待机制的区别 ......

1 前言

本篇文章默认大家对synchronizedreentrantlock有一定了解。

1.1 先来段代码放松一下

下面一段简单的代码,主要是通过3个线程对count进行累计来进行模拟多线程的场景。

/**
 * zhongxianyao
 */
public class test {
    private static final int n = 3;
    private int count = 0;

    public void dosomething() {
        // 实际业务中,这里可能是远程获取数据之类的耗时操作
        for (int i=0; i<1000_000; i++) {
            synchronized (this) {
                count ++;
            }
        }
    }

    public static void main(string[] args) throws exception {
        test test = new test();
        for (int i=0; i<n; i++) {
            runnable runnable = () -> test.dosomething();
            new thread(runnable).start();
        }

        thread.sleep(1000);
        system.out.println(test.count);
    }

}

在多线程编程中,一旦调用start()后,什么时候真正分配cpu时间片运行是不确定的,运行多久也是不确定的,所以有时候可能根据经验,预估一下程序的运行时间,然后进行sleep,最后获取结果。但这种方式太low了,有没有那么一种方式,当程序获取到结果后进行通知呢?下面将引出今天要讲的等待/通知机制。


2 object wait()/notify()

2.1 一段入门代码

先来一段代码看一下wait()/notify()的基本用法

/**
 * zhongxianyao
 */
public class test {

    private static final int n = 3;
    private int count = 0;
    private int finishcount = 0;

    public void dosomething() {
        for (int i=0; i<1000_000; i++) {
            synchronized (this) {
                count ++;
            }
        }
        synchronized (this) {
            finishcount ++;
            notify();
        }
    }

    public static void main(string[] args) {
        test test = new test();
        for (int i=0; i<n; i++) {
            runnable runnable = () -> test.dosomething();
            new thread(runnable).start();
        }

        synchronized (test) {
            try {
                while (test.finishcount != n) {
                    test.wait();
                }
            } catch (exception e) {
                e.printstacktrace();
            }
        }

        system.out.println(test.count);
    }

}

结果输出3000000,结果是正确,是自己想要的。

2.2 问题三连击

a.为什么官方说wait() 要放在while里面?

接口描述如下

as in the one argument version, interrupts and spurious wakeups are possible, and this method should always be used in a loop:
     synchronized (obj) {
         while (<condition does not hold>)
             obj.wait();
         ... // perform action appropriate to condition
     }

翻译一下:在一个论点版本中,中断跟虚假唤醒是可能,所以这个方法应始终放在一个循环中。

加上一句自己的解释:一般在项目中,一个线程不可能无缘无故等待,总是需要在某种条件下进行等待,而且其他线程唤醒这个线程的时候,可能用的是notifyall(),数据被其他线程消费了,这里需要在判断一下是否满足特定的条件再继续运行。

b.为什么wait()必须在同步方法/代码块中调用?

解释1:wait()本身设计的逻辑就是在释放锁进行等待,如果没有获取锁,谈何释放。

解释2:通常在wait()的方法前面都会有while语句的判断,在这两条语句中会有时间间隔,可能会破坏程序,需要加上synchronized同步代码块来保证原子操作。

c.为什么wait(), notify() 和 notifyall()是定义在object里面而不是在thread里面?

因为wait()等方法都是锁级别操作,再者java提供的锁都是对象级别的而不是线程级别的,每个对象都有锁。如果wait()方法定义在thread类中,线程正在等待的是哪个锁就不明显了。

2.3 wait(long timeout)

在上面的例子中,如果notify();那行代码删除,wait()改为wait(100),如下,那么程序是否可以获取到正确的结果呢?

/**
 * zhongxianyao
 */
public class test {

    private static final int n = 3;
    private int count = 0;
    private int finishcount = 0;

    public void dosomething() {
        for (int i=0; i<1000_000; i++) {
            synchronized (this) {
                count ++;
            }
        }
        synchronized (this) {
            finishcount ++;
            //notify();
        }
    }

    public static void main(string[] args) {
        test test = new test();
        for (int i=0; i<n; i++) {
            runnable runnable = () -> test.dosomething();
            new thread(runnable).start();
        }

        synchronized (test) {
            try {
                while (test.finishcount != n) {
                    test.wait(100);
                }
            } catch (exception e) {
                e.printstacktrace();
            }
        }

        system.out.println(test.count);
    }

}

运行结果是3000000,是正确的结果,看了一下文档,发现这个字段跟直觉理解的不一样,直觉告诉我,这个是最长等多久,等太久了就interruptedexception,结果不是。这个方法设置的时间,是说等待多久就唤醒自己。


3 condition await()/signal()

3.1 用condition进行替换

下面的代码,把前一个例子中的synchronized代码块,换成了lock()/unlock,notify()换成了condition.signal(),wait()换成了condition.await()。运行结果也是正确的。

/**
 * zhongxianyao
 */
public class test {

    private static final int n = 3;
    private int count = 0;
    private int finishcount = 0;
    private lock lock = new reentrantlock();
    private condition condition = lock.newcondition();

    public void dosomething() {
        for (int i=0; i<1000_000; i++) {
            synchronized (this) {
                count ++;
            }
        }
        lock.lock();
        finishcount ++;
        if (finishcount == n) {
            condition.signal();
        }
        lock.unlock();
    }

    public static void main(string[] args) {
        test test = new test();
        for (int i=0; i<n; i++) {
            runnable runnable = () -> test.dosomething();
            new thread(runnable).start();
        }

        test.lock.lock();
        try {
            test.condition.await();
        } catch (interruptedexception e) {
            e.printstacktrace();
        } finally {
            test.lock.unlock();
        }

        system.out.println(test.count);
    }

}

3.2 signal()方法后不建议添加逻辑

public class conditiontest {

    public static void main(string[] args) {
        reentrantlock lock = new reentrantlock();
        condition condition = lock.newcondition();

        new thread(() -> {
            try {
                long time = system.currenttimemillis();
                lock.lock();
                system.out.println("await start");
                condition.await();
                system.out.println("await end " + (system.currenttimemillis() - time) + "ms");
            } catch (interruptedexception e) {
                e.printstacktrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }, "thread-await").start();

        try {
            thread.sleep(1000);
        } catch (interruptedexception e) {
            e.printstacktrace();
        }
        
        new thread(() -> {
            try {
                lock.lock();
                system.out.println("signal start");
                timeunit.seconds.sleep(5);
                condition.signal();
                system.out.println("signal end");
            } catch (exception e) {
                e.printstacktrace();
            } finally {
                lock.unlock();
                system.out.println("signal unlock");
            }
        }, "thread-signal").start();

    }
}

多次运行,结果都是一样的,如下:

await start
signal start
signal end
signal unlock
await end 5005ms

从运行结果可以看出,await()后,锁就释放了,但signal()后,锁不释放,一定要在unlock()之后,锁才释放,await()才会往下执行。

既然唤醒了其他线程,又不释放锁,可以调整唤醒的时机。一般在实际代码中,也是不建议signal()方法后添加逻辑,应该直接释放锁。

同理,上面的notify()也是在synchronized代码块结束后,wait()后面的语句才能真正执行。

3.3 boolean await(long time, timeunit unit)

把上面的condition.await()改为condition.await(1, timeunit.seconds),然后获取返回值,运行结果返回的是false

这个时候,如果把timeunit.seconds.sleep(5)condition.signal()这两行代码顺序调换一下,那么await的返回值就是true

再看到官方文档对这个返回值的描述,如下

{@code false} if the waiting time detectably elapsed
before return from the method, else {@code true}

翻译过来,大致意思就是“如果等待时间可以在方法返回之前检测到返回false,否则返回true”。但实际测试结果却是await()被唤醒的时候,而不是方法返回的时候。


4 区别

  • object wait() notify() 搭配synchronized使用
  • condition await() signal() 搭配lock使用
  • object notify() 是随机唤醒一个
  • condition signal() 是唤醒第一个await()的线程
  • object wait()有虚假唤醒,而condition await() 没有

5 参考文档

  • https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/lang/object.html
  • https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/concurrent/locks/condition.html
  • https://*.com/questions/2779484/why-must-wait-always-be-in-synchronized-block