高并发编程-线程通信_使用wait和notify进行线程间的通信

2021-08-17 10:09:52 浏览数 (3)

概述

Java中线程通信协作的最常见的两种方式：

  • syncrhoized加锁的线程的Object类的wait()/notify()/notifyAll()
  • ReentrantLock类加锁的线程的Condition类的await()/signal()/signalAll()

线程间直接的数据交换：

  • 通过管道进行线程间通信：1）字节流；2）字符流

可参考： Java多线程编程核心技术

场景

场景假设：

一个工作台，两个工人： Worker A 和 Workder B .

约定，Worker A 生产货物到工作台上， Workder B 从工作台 取走（消费）货物。

  • 当 工作台上没有货物时，Worker A 才生产货物，否则等待Worker B 取走（消费）货物。
  • 当 工作台上有货物时， Woker B 才从工作台取走（消费）货物，否则等待Worker A 生产货物

引子

我们先来看下线程之间不通信的情况 （错误示例）

代码语言：javascript复制
package com.artisan.test;

public class ProduceConsumeWrongDemo {

    // 锁
    private final Object LOCK = new Object();

    // 模拟多线程间需要通信的数据  i
    private int i = 0 ;

    public void produce() throws InterruptedException {
        // 加锁
        synchronized (LOCK){
            System.out.println("produce:"   i  );
            Thread.sleep(1_000);
        }
    }

    public void consume() throws InterruptedException{
        // 加锁
        synchronized (LOCK){
            System.out.println("consume:"   i);
            Thread.sleep(1_000);
        }
    }


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
        ProduceConsumeWrongDemo pc = new ProduceConsumeWrongDemo();

        // 生产线程
        new Thread(()->{
                while (true){
                    try {
                        pc.produce();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
        }).start();

        // 消费线程
        new Thread(()->{
            while (true){
                try {
                    pc.consume();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }).start();
    }
}

运行结果：

代码语言：javascript复制
"E:Program FilesJavajdk1.8.0_161binjava" "-javaagent:E:Program FilesJetBrainsIntelliJ IDEA 2017.2.4libidea_rt.jar=52137:E:Program FilesJetBrainsIntelliJ IDEA 2017.2.4bin" -Dfile.encoding=UTF-8 -classpath "E:Program FilesJavajdk1.8.0_161jrelibcharsets.jar;E:Program FilesJavajdk1.8.0_161jrelibdeploy.jar;E:Program FilesJavajdk1.8.0_161jrelibextaccess-bridge-64.jar;E:Program FilesJavajdk1.8.0_161jrelibextcldrdata.jar;E:Program FilesJavajdk1.8.0_161jrelibextdnsns.jar;E:Program FilesJavajdk1.8.0_161jrelibextjaccess.jar;E:Program FilesJavajdk1.8.0_161jrelibextjfxrt.jar;E:Program FilesJavajdk1.8.0_161jrelibextlocaledata.jar;E:Program FilesJavajdk1.8.0_161jrelibextnashorn.jar;E:Program FilesJavajdk1.8.0_161jrelibextsunec.jar;E:Program FilesJavajdk1.8.0_161jrelibextsunjce_provider.jar;E:Program FilesJavajdk1.8.0_161jrelibextsunmscapi.jar;E:Program FilesJavajdk1.8.0_161jrelibextsunpkcs11.jar;E:Program FilesJavajdk1.8.0_161jrelibextzipfs.jar;E:Program FilesJavajdk1.8.0_161jrelibjavaws.jar;E:Program FilesJavajdk1.8.0_161jrelibjce.jar;E:Program FilesJavajdk1.8.0_161jrelibjfr.jar;E:Program FilesJavajdk1.8.0_161jrelibjfxswt.jar;E:Program FilesJavajdk1.8.0_161jrelibjsse.jar;E:Program FilesJavajdk1.8.0_161jrelibmanagement-agent.jar;E:Program FilesJavajdk1.8.0_161jrelibplugin.jar;E:Program FilesJavajdk1.8.0_161jrelibresources.jar;E:Program FilesJavajdk1.8.0_161jrelibrt.jar;D:IdeaProjectsmvctargetclasses" com.artisan.test.ProduceConsumeWrongDemo
produce:0
produce:1
consume:2
consume:2
consume:2
produce:2
consume:3
consume:3
consume:3
produce:3
produce:4
produce:5
consume:6
....
....
....
....
....
....
....

很明显的可以看到，数据都是错乱的，因为没有线程间的通信，全凭CPU调度，生产线程和消费线程都很随意，数据一团糟糕，那该如何改进呢？

synchronized wait/notify机制

  • wait()——让当前线程 (Thread.concurrentThread() 方法所返回的线程) 释放对象锁并进入等待（阻塞）状态。
  • notify()——唤醒一个正在等待相应对象锁的线程，使其进入就绪队列，以便在当前线程释放锁后竞争锁，进而得到CPU的执行。
  • notifyAll()——唤醒所有正在等待相应对象锁的线程，使它们进入就绪队列，以便在当前线程释放锁后竞争锁，进而得到CPU的执行。

为了解决上面的问题，我们先来了解下synchronized wait/notify .

  • wait()、notify()和notifyAll()方法是本地方法，并且为final方法，无法被重写。
  • 调用某个对象的wait()方法能让当前线程阻塞，并且当前线程必须拥有此对象的monitor（即锁）. 因此调用wait()方法必须在同步块或者同步方法中进行（synchronized块或者synchronized方法）。如果当前线程没有这个对象的锁就调用wait（）方法，则会抛出IllegalMonitorStateException.
  • 调用某个对象的wait()方法，相当于让当前线程交出（释放）此对象的monitor，然后进入等待状态，等待后续再次获得此对象的锁
  • 调用某个对象的notify()方法能够唤醒一个正在等待这个对象的monitor的线程，如果有多个线程都在等待这个对象的monitor，则只能唤醒其中一个线程. 同样的，调用某个对象的notify()方法，当前线程也必须拥有这个对象的monitor，因此调用notify()方法必须在同步块或者同步方法中进行（synchronized块或者synchronized方法）。
  • 调用notifyAll()方法能够唤醒所有正在等待这个对象的monitor的线程
  • notify()和notifyAll()方法只是唤醒等待该对象的monitor的线程，并不决定哪个线程能够获取到monitor。

举个例子： 假如有三个线程Thread1、Thread2和Thread3都在等待对象objectA的monitor，此时Thread4拥有对象objectA的monitor，当在Thread4中调用objectA.notify()方法之后，Thread1、Thread2和Thread3只有一个能被唤醒。

注意，被唤醒不等于立刻就获取了objectA的monitor。

假若在Thread4中调用objectA.notifyAll()方法，则Thread1、Thread2和Thread3三个线程都会被唤醒，至于哪个线程接下来能够获取到objectA的monitor就具体依赖于操作系统的调度了。

一个线程被唤醒不代表立即获取了对象的monitor，只有等调用完notify()或者notifyAll()并退出synchronized块，释放对象锁后，其余线程才可获得锁执行。

synchronized wait/notify 改造

代码语言：javascript复制
package com.artisan.test;

public class ProduceConsumerDemo {

    // 对象监视器-锁
    private final Object LOCK = new Object();

    // 是否生产出数据的标识
    private boolean isProduced = false;

    // volatile 确保可见性， 假设 i 就是生产者生产的数据
    private volatile int i = 0 ;

    public  void produce(){
        // 加锁
        synchronized (LOCK){
            if (isProduced){
                try {
                    // 让当前线程 (Thread.concurrentThread() 方法所返回的线程) 释放对象锁并进入等待（阻塞）状态
                    // 如果已经生产，则等待
                    LOCK.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }else{
                // 生产数据
                i  ;
                System.out.println("Produce:"   i);
                // 唤醒一个正在等待相应对象锁的线程，使其进入就绪队列，以便在当前线程释放锁后竞争锁，进而得到CPU的执行
                // 通知等待的Worker B 来消费数据
                LOCK.notify();
                // 将生产标识置为true
                isProduced = true;
            }
        }
    }

    public void consume(){
        // 加锁
        synchronized (LOCK){
            if (isProduced){
                // 消费数据
                System.out.println("Consume:"   i);
                // 唤醒一个正在等待相应对象锁的线程，使其进入就绪队列，以便在当前线程释放锁后竞争锁，进而得到CPU的执行
                // 通知 等待的Wokrer A 生产数据
                LOCK.notify();
                // 已经消费完了，将生产标识置为false
                isProduced = false;
            }else{
                try {
                    // 让当前线程 (Thread.concurrentThread() 方法所返回的线程) 释放对象锁并进入等待（阻塞）状态
                    // 未生产，Worker B等待
                    LOCK.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ProduceConsumerDemo produceConsumerDemo = new ProduceConsumerDemo();
        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                while(true) produceConsumerDemo.produce();
            }
        }.start();


        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                while(true) produceConsumerDemo.consume();
            }
        }.start();
    }
}

当然了并不是绝对的上面的对应关系（这里只是为了演示），因为notify唤醒后，线程只是进入Runnable状态，至于哪个线程能进入到running状态，就看哪个线程能抢到CPU的资源了。 JVM规范并没有规定哪个线程优先得到执行权，每个JVM的实现都是不同的

单个生产者 单个消费者，运行OK

代码语言：javascript复制
.....
.....
.....

Produce:1171
Consume:1171
Produce:1172
Consume:1172
Produce:1173
Consume:1173
Produce:1174
Consume:1174
Produce:1175
Consume:1175
Produce:1176
Consume:1176



.....
.....
.....

问题

单个生产者 单个消费者 上面的代码是没有问题的，加入有多个生产者 和多个消费者呢？

我们来复用上面的代码来演示下 ，其他代码保持不变，仅在main方法中改造下，两个生产者，两个消费者

代码语言：javascript复制
  Stream.of("P1","P2").forEach(n-> new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                while(true) produceConsumerDemo.produce();
            }
        }.start());


        Stream.of("C1","C2").forEach(n->new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                while(true) produceConsumerDemo.consume();
            }
        }.start());

下篇博客，我们来分析下原因，并给出解决办法

jvm monitor synchronized wait worker

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