面试官让我讲下线程的 WAITING 状态，我笑了

2020-02-19 21:08:42 浏览数 (1)

来源：国栋

my.oschina.net/goldenshaw/blog/802620

  • 线程间的协作（cooperate）机制
  • wait 的场景
    • 竞争关系
    • 条件
    • 等待是必要的吗？
    • 协作关系
    • 生产者与消费者问题
    • 代码的演示：
  • join场景及其它
  • 与传统 waiting 状态的关系

面试官Q：你讲下线程状态中的WAITING状态，什么时候会处于这个状态？什么时候离开这个状态？

小菜J 会心一笑...

一个正在无限期等待另一个线程执行一个特别的动作的线程处于WAITING状态。

A thread that is waiting indefinitely for another thread to perform a particular action is in this state.

然而这里并没有详细说明这个“特别的动作”到底是什么，详细定义还是看 javadoc（jdk8）：

一个线程进入 WAITING 状态是因为调用了以下方法：

  • 不带时限的 Object.wait 方法
  • 不带时限的 Thread.join 方法
  • LockSupport.park

然后会等其它线程执行一个特别的动作，比如：

  • 一个调用了某个对象的 Object.wait 方法的线程会等待另一个线程调用此对象的 Object.notify() 或 Object.notifyAll()。
  • 一个调用了 Thread.join 方法的线程会等待指定的线程结束。

对应的英文原文如下：

A thread is in the waiting state due to calling one of the following methods:

  • Object.wait with no timeout
  • Thread.join with no timeout
  • LockSupport.park

A thread in the waiting state is waiting for another thread to perform a particular action. For example, a thread that has called Object.wait() on an object is waiting for another thread to call Object.notify() or Object.notifyAll() on that object. A thread that has called Thread.join() is waiting for a specified thread to terminate.

线程间的协作（cooperate）机制

显然，WAITING 状态所涉及的不是一个线程的独角戏，相反，它涉及多个线程，具体地讲，这是多个线程间的一种协作 机制。谈到线程我们经常想到的是线程间的竞争（race） ，比如去争夺锁，但这并不是故事的全部，线程间也会有协作机制。

就好比在公司里你和你的同事们，你们可能存在在晋升时的竞争，但更多时候你们更多是一起合作以完成某些任务。

wait/notify 就是线程间的一种协作机制，那么首先，为什么 wait？什么时候 wait？它为什么要等其它线程执行“特别的动作”？它到底解决了什么问题？

wait 的场景

首先，为什么要 wait 呢？简单讲，是因为条件（condition） 不满足。那么什么是条件呢？为方便理解，我们设想一个场景：

有一节列车车厢，有很多乘客，每个乘客相当于一个线程；里面有个厕所，这是一个公共资源，且一次只允许一个线程进去访问（毕竟没人希望在上厕所期间还与他人共享~）。

竞争关系

假如有多个乘客想同时上厕所，那么这里首先存在的是竞争的关系。

如果将厕所视为一个对象，它有一把锁，想上厕所的乘客线程需要先获取到锁，然后才能进入厕所。

Java 在语言级直接提供了同步的机制，也即是 synchronized 关键字：

synchronized(expression) {……}

它的机制是这样的：对表达式（expresssion）求值（值的类型须是引用类型（reference type）），获取它所代表的对象，然后尝试获取这个对象的锁：

  • 如果能获取锁，则进入同步块执行，执行完后退出同步块，并归还对象的锁（异常退出也会归还）；
  • 如果不能获取锁，则阻塞在这里，直到能够获取锁。

在一个线程还在厕所期间，其它同时想上厕所的线程被阻塞，处在该厕所对象的 entry set 中，处于 BLOCKED 状态。

完事之后，退出厕所，归还锁。

之后，系统再在 entry set 中挑选一个线程，将锁给到它。

对于以上过程，以下为一个 gif 动图演示：

当然，这就是我们所熟悉的锁的竞争过程。以下为演示的代码：

代码语言：javascript复制
@Test
public void testBlockedState() throws Exception {
	class Toilet { // 厕所类
		public void pee() { // 尿尿方法
			try {
				Thread.sleep(21000);// 研究表明，动物无论大小尿尿时间都在21秒左右
			} catch (InterruptedException e) {
				Thread.currentThread().interrupt();
			}
		}
	}

	Toilet toilet = new Toilet();

	Thread passenger1 = new Thread(new Runnable() {
		public void run() {
			synchronized (toilet) {
				toilet.pee();
			}
		}
	});

	Thread passenger2 = new Thread(new Runnable() {
		public void run() {
			synchronized (toilet) {
				toilet.pee();
			}
		}
	});

	passenger1.start();

	// 确保乘客1先启动
	Thread.sleep(100);

	passenger2.start();

	// 确保已经执行了 run 方法
	Thread.sleep(100);

	// 在乘客1在厕所期间，乘客2处于 BLOCKED 状态
	assertThat(passenger2.getState()).isEqualTo(Thread.State.BLOCKED);
}

条件

现在，假设有个女乘客，她抢到了锁，进去之后裤子脱了一半，发现马桶的垫圈纸没了，于是拒绝尿。

或许是因为她比较讲究卫生，怕直接坐上去会弄脏她白花花的屁股~

现在，条件出现了：有纸没纸，这就是某种条件。

那么，现在条件不满足，这位女线程改怎么办呢？如果只是在里面干等，显然是不行的。

这不就是人民群众所深恶痛绝的“占着茅坑不拉尿”吗？

  • 一方面，外面 entry set 中可能好多群众还嗷嗷待尿呢（其中可能有很多大老爷线程，他们才不在乎有没有马桶垫圈纸~）
  • 另一方面，假定外面同时有“乘务员线程”，准备进去增加垫圈纸，可你在里面霸占着不出来，别人也没法进去，也就没法加纸。

所以，当条件不满足时，需要出来，要把锁还回去，以使得诸如“乘务员线程”的能进去增加纸张。

等待是必要的吗？

那么出来之后是否一定需要等待呢？当然也未必。

这里所谓“等待”，指的是使线程处于不再活动的状态，即是从调度队列中剔除。

如果不等待，只是简单归还锁，用一个反复的循环来判断条件是否满足，那么还是可以再次回到调度队列，然后期待在下一次被调度到的时候，可能条件已经发生变化：

比如某个“乘务员线程”已经在之前被调度并增加了里面的垫圈纸。自然，也可能再次调度到的时候，条件依旧是不满足的。

现在让我们考虑一种比较极端的情况：厕所外一大堆的“女乘客线程”想进去方便，同时还有一个焦急的“乘务员线程”想进去增加厕纸。

如果线程都不等待，而厕所又是一个公共资源，无法并发访问。调度器每次挑一个线程进去，挑中“乘务员线程”的几率反而降低了，entry set 中很可能越聚越多无法完成方便的“女乘客线程”，“乘务员线程”被选中执行的几率越发下降。

当然，同步机制会防止产生所谓的“饥饿（starvation） ”现象，“乘务员线程”最终还是有机会执行的，只是系统运行的效率下降了。

所以，这会干扰正常工作的线程，挤占了资源，反而影响了自身条件的满足。另外，“乘务员线程”可能这段时间根本没有启动，此时，不愿等待的“女乘客线程”不过是徒劳地进进出出，占用了 CPU 资源却没有办成正事。

效果上还是在这种没有进展的进进出出中等待，这种情形类似于所谓的忙等待 （busy waiting） 。

协作关系

综上，等待还是有必要的，我们需要一种更高效的机制，也即是 wait/notify 的协作机制。

当条件不满足时，应该调用 wait()方法，这时线程释放锁，并进入所谓的 wait set 中，具体的讲，是进入这个厕所对象的 wait set 中：

这时，线程不再活动，不再参与调度，因此不会浪费 CPU 资源，也不会去竞争锁了，这时的线程状态即是 WAITING。

现在的问题是：她们什么时候才能再次活动呢？显然，最佳的时机是当条件满足的时候。

之后，“乘务员线程”进去增加厕纸，当然，此时，它也不能只是简单加完厕纸就完了，它还要执行一个特别的动作 ，也即是“通知（notify） ”在这个对象上等待的女乘客线程：

大概就是向她们喊一声：“有纸啦！赶紧去尿吧！”显然，如果只是“女乘客线程”方面一厢情愿地等待，她们将没有机会再执行。

所谓“通知”，也即是把她们从 wait set 中释放出来，重新进入到调度队列（ready queue）中。

  • 如果是 notify，则选取所通知对象的 wait set 中的一个线程释放；
  • 如果是 notifyAll，则释放所通知对象的 wait set 上的全部线程。

整个过程如下图所示：

对于上述过程，我们也给出以下 gif 动图演示：

注意 ：哪怕只通知了一个等待的线程，被通知线程也不能立即恢复执行，因为她当初中断的地方是在同步块内，而此刻她已经不持有锁，所以她需要再次尝试去获取锁（很可能面临其它线程的竞争），成功后才能在当初调用 wait 方法之后的地方恢复执行。（这也即是所谓的 “reenter after calling Object.wait”）

  • 如果能获取锁，线程就从 WAITING 状态变成 RUNNABLE 状态；
  • 否则，从 wait set 出来，又进入 entry set，线程就从 WAITING 状态又变成 BLOCKED 状态。

综上，这是一个协作机制，“女乘客线程”和“乘务员线程”间存在一个协作关系。显然，这种协作关系的存在，“女乘客线程”可以避免在条件不满足时的盲目尝试，也为“乘务员线程”的顺利执行腾出了资源；同时，在条件满足时，又能及时得到通知。协作关系的存在使得彼此都能受益。

生产者与消费者问题

不难发现，以上实质上也就是经典的“生产者与消费者”的问题：

乘务员线程生产厕纸，女乘客线程消费厕纸。当厕纸没有时（条件不满足），女乘客线程等待，乘务员线程添加厕纸（使条件满足），并通知女乘客线程（解除她们的等待状态）。接下来，女乘客线程能否进一步执行则取决于锁的获取情况。

代码的演示：

在以下代码中，演示了上述的 wait/notify 的过程：

代码语言：javascript复制
@Test
public void testWaitingState() throws Exception {

	class Toilet { // 厕所类
		int paperCount = 0; // 纸张

		public void pee() { // 尿尿方法
			try {
				Thread.sleep(21000);// 研究表明，动物无论大小尿尿时间都在21秒左右
			} catch (InterruptedException e) {
				Thread.currentThread().interrupt();
			}
		}
	}

	Toilet toilet = new Toilet();

	// 两乘客线程
	Thread[] passengers = new Thread[2];
	for (int i = 0; i < passengers.length; i  ) {
		passengers[i] = new Thread(new Runnable() {
			public void run() {
				synchronized (toilet) {
					while (toilet.paperCount < 1) {
						try {
							toilet.wait(); // 条件不满足，等待
						} catch (InterruptedException e) {
							Thread.currentThread().interrupt();
						}
					}
					toilet.paperCount--; // 使用一张纸
					toilet.pee();
				}
			}
		});
	}

	// 乘务员线程
	Thread steward = new Thread(new Runnable() {
		public void run() {
			synchronized (toilet) {
				toilet.paperCount  = 10;// 增加十张纸
				toilet.notifyAll();// 通知所有在此对象上等待的线程
			}
		}
	});

	passengers[0].start();
	passengers[1].start();

	// 确保已经执行了 run 方法
	Thread.sleep(100);

	// 没有纸，两线程均进入等待状态
	assertThat(passengers[0].getState()).isEqualTo(Thread.State.WAITING);
	assertThat(passengers[1].getState()).isEqualTo(Thread.State.WAITING);

	// 乘务员线程启动，救星来了
	steward.start();

	// 确保已经增加纸张并已通知
	Thread.sleep(100);

	// 其中之一会得到锁，并执行 pee，但无法确定是哪个，所以用 "或 ||"
	// 注：因为 pee 方法中实际调用是 sleep， 所以很快就从 RUNNABLE 转入 TIMED_WAITING(sleep 时对应的状态)
	assertTrue(Thread.State.TIMED_WAITING.equals(passengers[0].getState())
			|| Thread.State.TIMED_WAITING.equals(passengers[1].getState()));

	// 其中之一则被阻塞，但无法确定是哪个，所以用 "或 ||"
	assertTrue(
			Thread.State.BLOCKED.equals(passengers[0].getState()) || Thread.State.BLOCKED.equals(passengers[1].getState()));
}

join场景及其它

从定义中可知，除了 wait/notify 外，调用 join 方法也会让线程处于 WAITING 状态。

join 的机制中并没有显式的 wait/notify 的调用，但可以视作是一种特殊的，隐式的 wait/notify 机制。

假如有 a，b 两个线程，在 a 线程中执行 b.join()，相当于让 a 去等待 b，此时 a 停止执行，等 b 执行完了，系统内部会隐式地通知 a，使 a 解除等待状态，恢复执行。

换言之，a 等待的条件是 “b 执行完毕”，b 完成后，系统会自动通知 a。

关于 LockSupport.park 的情况则由读者自行分析。

与传统 waiting 状态的关系

Thread.State.WAITING 状态与传统的 waiting 状态类似：

join object set thread wait

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