正确使用 wait/notify/notify方法以及源码解析

wait、notify、notifyAll

前几篇复习了下《线程的创建方式》、《线程的状态》、《Thread 的源码解析》这几篇文章。这篇是第四篇，讲讲 Object 几个跟线程获取释放锁相关的方法：wait、notify、notifyAll。

wait 方法源码解析

由于 wait () 是 Object 类的 native 方法，在 idea 中，它长这样：

public final native void wait(long timeout) throws InterruptedException;

看不了源码，那只能看源码的注释，注释太长，我摘取一些关键的点出来：

1、
Causes the current thread to wait until either another thread 
invokes the notify() method or the notifyAll() method for this object, 
or a specified amount of time has elapsed.

The current thread must own this object's monitor.

2、
In other words,waits should always occur in loops.like this one:
synchronized(obj) {
    while (condition does not hold)
        obj.wait(timeout);
    // Perform action appropriate to condition
}

3、
@throws IllegalArgumentException
if the value of timeout isnegative.

@throws IllegalMonitorStateException
if the current thread is notthe owner of the object 's monitor.

@throws InterruptedException
if any thread interrupted the current thread before or while the current thread was waiting
for a notification.
The interrupted status of the current thread is cleared when this exception is thrown.

注释中提到几点：

wait 会让当前线程进入等待状态，除非其他线程调用了 notify 或者 notifyAll 方法唤醒它，又或者等待时间到。另外，当前线程必须持有对象监控器（也就是使用 synchronized 加锁）
必须把 wait 方法写在 synchronized 保护的 while 代码块中，并始终判断执行条件是否满足，如果满足就往下继续执行，如果不满足就执行 wait 方法，而在执行 wait 方法之前，必须先持有对象的 monitor 锁，也就是通常所说的 synchronized 加锁。
超时时间非法，抛 IllegalArgumentException 异常；不持有对象的 monitor 锁，抛 IllegalMonitorStateException 异常；在等待期间被其他线程中断，抛出 InterruptedException 异常。

为什么 wait 必须在 synchronized 保护的同步代码中使用？

逆向思考下，没有 synchronized 保护的情况下，我们使用会出现啥问题？先试着来模拟一个简单的生产者消费者例子：

public class BlockingQueue {

    Queue<String> buffer = new LinkedList<String>();

    // 生产者，负责往队列放数据
    public void give(String data) {
        buffer.add(data);
        notify();
    }

    // 消费者，主要是取数据
    public String take() throws InterruptedException {
        while (buffer.isEmpty()) {
            wait();
        }
        return buffer.remove();
    }

}

首先 give () 往队列里放数据，放完以后执行 notify 方法来唤醒之前等待的线程；take () 检查整个 buffer 是否为空，如果为空就进入等待，如果不为空就取出一个数据。但在这里我们并没有用 synchronized 修饰。假设我们现在只有一个生产者和一个消费者，那就有可能出现以下情况：

此时，生产者无数据。消费者线程调用 take ()，while 条件为 true。正常来说，这时应该去调用 wait () 等待，但此时消费者在调用 wait 之前，被被调度器暂停了，还没来得及调用 wait。
到生产者调用 give 方法，放入数据并视图唤醒消费者线程。可这个时候唤醒不起作用呀。消费者并没有在等待。
最后，消费者回去调用 wait 方法，就进入了无限等待中。

看明白了吗？第一步时，消费者判断了 while 条件，但真正执行 wait 方法时，生产者已放入数据，之前的 buffer.isEmpty 的结果已经过期了，因为这里的 “判断 - 执行” 不是一个原子操作，它在中间被打断了，是线程不安全的。

正确的写法应该是这样子的：以下写法就确保永远 notify 方法不会在 buffer.isEmpty 和 wait 方法之间被调用，也就不会有线程安全问题。

public class BlockingQueue {

    Queue<String> buffer = new LinkedList<String>();

    // 生产者，负责往队列放数据
    public void give(String data) {
        synchronized(this) {
            buffer.add(data);
            notify();
        }
    }

    // 消费者，主要是取数据
    public String take() throws InterruptedException {
        synchronized(this) {
            while (buffer.isEmpty()) {
                wait();
            }
            return buffer.remove();
        }
    }

}

notify & notifyAll

notify & notifyAll 都是 Object 的 native 方法，在 IDEA 中看不到它的源码，同样是只能看注释。

public final native void notify();

public final native void notifyAll();

注释中主要提到以下几点：

notify () 随机唤醒一个等待该对象锁的线程，即使是多个也随机唤醒其中一个（跟线程优先级无关）。
notifyAll () 通知所有在等待该竞争资源的线程，谁抢到锁谁拥有执行权（跟线程优先级无关）。
当前线程不持有对象的 monitor 锁，抛 IllegalMonitorStateException 异常。

为啥 wait & notify & notifyAll 定义在 Object 中，而 sleep 定义在 Thread 中？

两点原因：

Java 的每个对象都有一把称之为 monitor 监视器的锁，每个对象都可以上锁，所以在对象头中有一个用来保存锁信息的位置。这个锁是对象级别的，而不是线程级别的，每个对象都有锁，通过线程获得。如果线程需要等待某些锁那么调用对象中的 wait 方法就有意义了，它等待的就是这个对象的锁。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。简单来说，由于 wait & notify & notifyAll 是锁级别的操作，所以把他们定义在 Object 类中因为锁属于对象。
再者，如果把它们定义在 Thread 中，会带来很多问题。一个线程可以有多把锁，你调用 wait 或者 notify，我怎么知道你要等待的是哪把锁？唤醒的哪个线程呢？

wait 和 sleep 的异同

上次的文章我们已经看过了 sleep 的源码了，它们的相同点主要有：

它们都可以改变线程状态，让其进入计时等待。
它们都可以响应 interrupt 中断，并抛出 InterruptedException 异常。

不同点：

wait 是 Object 类的方法，而 sleep 是 Thread 类的方法。
wait 方法必须在 synchronized 保护的代码中使用，而 sleep 方法可在任意地方。
调用 sleep 方法不释放 monitor 锁，调用 wait 方法，会释放 monitor 锁。
sleep 时间一到马上恢复执行（因为没有释放锁）；wait 需要等中断，或者对应对象的 notify 或 notifyAll 才会恢复，抢到锁才会执行（唤醒多个的情况）。

巨人的肩膀

https://kaiwu.lagou.com/course/courseInfo.htm?courseId=16#/detail/pc?id=239