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上節介紹了多線程之間競爭訪問同一個資源的問題及解決方案synchronized，我們提到，多線程之間除了競爭，還經常需要相互協作，本節就來介紹Java中多線程協作的基本機制wait/notify。
都有哪些場景需要協作？wait/notify是什么？如何使用？實現原理是什么？協作的核心是什么？如何實現各種典型的協作場景？由於內容較多，我們分為上下兩節來介紹。
我們先來看看都有哪些協作的場景。
協作的場景
多線程之間需要協作的場景有很多，比如說：
- 生產者/消費者協作模式：這是一種常見的協作模式，生產者線程和消費者線程通過共享隊列進行協作，生產者將數據或任務放到隊列上，而消費者從隊列上取數據或任務，如果隊列長度有限，在隊列滿的時候，生產者需要等待，而在隊列為空的時候，消費者需要等待。
- 同時開始：類似運動員比賽，在聽到比賽開始槍響后同時開始，在一些程序，尤其是模擬仿真程序中，要求多個線程能同時開始。
- 等待結束：主從協作模式也是一種常見的協作模式，主線程將任務分解為若干個子任務，為每個子任務創建一個線程，主線程在繼續執行其他任務之前需要等待每個子任務執行完畢。
- 異步結果：在主從協作模式中，主線程手工創建子線程的寫法往往比較麻煩，一種常見的模式是將子線程的管理封裝為異步調用，異步調用馬上返回，但返回的不是最終的結果，而是一個一般稱為Promise或Future的對象，通過它可以在隨后獲得最終的結果。
- 集合點：類似於學校或公司組團旅游，在旅游過程中有若干集合點，比如出發集合點，每個人從不同地方來到集合點，所有人到齊后進行下一項活動，在一些程序，比如並行迭代計算中，每個線程負責一部分計算，然后在集合點等待其他線程完成，所有線程到齊后，交換數據和計算結果，再進行下一次迭代。
我們會探討如何實現這些協作場景，在此之前，我們先來了解協作的基本方法wait/notify。
wait/notify
我們知道，Java的根父類是Object，Java在Object類而非Thread類中，定義了一些線程協作的基本方法，使得每個對象都可以調用這些方法，這些方法有兩類，一類是wait，另一類是notify。
主要有兩個wait方法：
public final void wait() throws InterruptedException public final native void wait(long timeout) throws InterruptedException;
一個帶時間參數，單位是毫秒，表示最多等待這么長時間，參數為0表示無限期等待。一個不帶時間參數，表示無限期等待，實際就是調用wait(0)。在等待期間都可以被中斷，如果被中斷，會拋出InterruptedException，關於中斷及中斷處理，我們在下節介紹，本節暫時忽略該異常。
wait實際上做了什么呢？它在等待什么？上節我們說過，每個對象都有一把鎖和等待隊列，一個線程在進入synchronized代碼塊時，會嘗試獲取鎖，獲取不到的話會把當前線程加入等待隊列中，其實，除了用於鎖的等待隊列，每個對象還有另一個等待隊列，表示條件隊列，該隊列用於線程間的協作。調用wait就會把當前線程放到條件隊列上並阻塞，表示當前線程執行不下去了，它需要等待一個條件，這個條件它自己改變不了，需要其他線程改變。當其他線程改變了條件后，應該調用Object的notify方法：
public final native void notify(); public final native void notifyAll();
notify做的事情就是從條件隊列中選一個線程，將其從隊列中移除並喚醒，notifyAll和notify的區別是，它會移除條件隊列中所有的線程並全部喚醒。
我們來看個簡單的例子，一個線程啟動后，在執行一項操作前，它需要等待主線程給它指令，收到指令后才執行，代碼如下：
public class WaitThread extends Thread { private volatile boolean fire = false; @Override public void run() { try { synchronized (this) { while (!fire) { wait(); } } System.out.println("fired"); } catch (InterruptedException e) { } } public synchronized void fire() { this.fire = true; notify(); } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { WaitThread waitThread = new WaitThread(); waitThread.start(); Thread.sleep(1000); System.out.println("fire"); waitThread.fire(); } }
示例代碼中有兩個線程，一個是主線程，一個是WaitThread，協作的條件變量是fire，WaitThread等待該變量變為true，在不為true的時候調用wait，主線程設置該變量並調用notify。
兩個線程都要訪問協作的變量fire，容易出現競態條件，所以相關代碼都需要被synchronized保護。實際上，wait/notify方法只能在synchronized代碼塊內被調用，如果調用wait/notify方法時，當前線程沒有持有對象鎖，會拋出異常java.lang.IllegalMonitorStateException。
你可能會有疑問，如果wait必須被synchronzied保護，那一個線程在wait時，另一個線程怎么可能調用同樣被synchronzied保護的notify方法呢？它不需要等待鎖嗎？我們需要進一步理解wait的內部過程，雖然是在synchronzied方法內，但調用wait時，線程會釋放對象鎖，wait的具體過程是：
- 把當前線程放入條件等待隊列，釋放對象鎖，阻塞等待，線程狀態變為WAITING或TIMED_WAITING
- 等待時間到或被其他線程調用notify/notifyAll從條件隊列中移除，這時，要重新競爭對象鎖
- 如果能夠獲得鎖，線程狀態變為RUNNABLE，並從wait調用中返回
- 否則，該線程加入對象鎖等待隊列，線程狀態變為BLOCKED，只有在獲得鎖后才會從wait調用中返回
線程從wait調用中返回后，不代表其等待的條件就一定成立了，它需要重新檢查其等待的條件，一般的調用模式是：
synchronized (obj) { while (條件不成立) obj.wait(); ... // 執行條件滿足后的操作 }
比如，上例中的代碼是：
synchronized (this) { while (!fire) { wait(); } }
調用notify會把在條件隊列中等待的線程喚醒並從隊列中移除，但它不會釋放對象鎖，也就是說，只有在包含notify的synchronzied代碼塊執行完后，等待的線程才會從wait調用中返回。
簡單總結一下，wait/notify方法看上去很簡單，但往往難以理解wait等的到底是什么，而notify通知的又是什么，我們需要知道，它們與一個共享的條件變量有關，這個條件變量是程序自己維護的，當條件不成立時，線程調用wait進入條件等待隊列，另一個線程修改了條件變量后調用notify，調用wait的線程喚醒后需要重新檢查條件變量。從多線程的角度看，它們圍繞共享變量進行協作，從調用wait的線程角度看，它阻塞等待一個條件的成立。我們在設計多線程協作時，需要想清楚協作的共享變量和條件是什么，這是協作的核心。接下來，我們通過一些場景來進一步理解wait/notify的應用，本節只介紹生產者/消費者模式，下節介紹更多模式。
生產者/消費者模式
在生產者/消費者模式中，協作的共享變量是隊列，生產者往隊列上放數據，如果滿了就wait，而消費者從隊列上取數據，如果隊列為空也wait。我們將隊列作為單獨的類進行設計，代碼如下：
static class MyBlockingQueue<E> { private Queue<E> queue = null; private int limit; public MyBlockingQueue(int limit) { this.limit = limit; queue = new ArrayDeque<>(limit); } public synchronized void put(E e) throws InterruptedException { while (queue.size() == limit) { wait(); } queue.add(e); notifyAll(); } public synchronized E take() throws InterruptedException { while (queue.isEmpty()) { wait(); } E e = queue.poll(); notifyAll(); return e; } }
MyBlockingQueue是一個長度有限的隊列，長度通過構造方法的參數進行傳遞，有兩個方法put和take。put是給生產者使用的，往隊列上放數據，滿了就wait，放完之后調用notifyAll，通知可能的消費者。take是給消費者使用的，從隊列中取數據，如果為空就wait，取完之后調用notifyAll，通知可能的生產者。
我們看到，put和take都調用了wait，但它們的目的是不同的，或者說，它們等待的條件是不一樣的，put等待的是隊列不為滿，而take等待的是隊列不為空，但它們都會加入相同的條件等待隊列。由於條件不同但又使用相同的等待隊列，所以要調用notifyAll而不能調用notify，因為notify只能喚醒一個線程，如果喚醒的是同類線程就起不到協調的作用。
只能有一個條件等待隊列，這是Java wait/notify機制的局限性，這使得對於等待條件的分析變得復雜，后續章節我們會介紹顯式的鎖和條件，它可以解決該問題。
一個簡單的生產者代碼如下所示：
static class Producer extends Thread { MyBlockingQueue<String> queue; public Producer(MyBlockingQueue<String> queue) { this.queue = queue; } @Override public void run() { int num = 0; try { while (true) { String task = String.valueOf(num); queue.put(task); System.out.println("produce task " + task); num++; Thread.sleep((int) (Math.random() * 100)); } } catch (InterruptedException e) { } } }
Producer向共享隊列中插入模擬的任務數據。一個簡單的示例消費者代碼如下所示：
static class Consumer extends Thread { MyBlockingQueue<String> queue; public Consumer(MyBlockingQueue<String> queue) { this.queue = queue; } @Override public void run() { try { while (true) { String task = queue.take(); System.out.println("handle task " + task); Thread.sleep((int)(Math.random()*100)); } } catch (InterruptedException e) { } } }
主程序的示例代碼如下所示：
public static void main(String[] args) { MyBlockingQueue<String> queue = new MyBlockingQueue<>(10); new Producer(queue).start(); new Consumer(queue).start(); }
運行該程序，會看到生產者和消費者線程的輸出交替出現。
我們實現的MyBlockingQueue主要用於演示，Java提供了專門的阻塞隊列實現，包括：
- 接口BlockingQueue和BlockingDeque
- 基於數組的實現類ArrayBlockingQueue
- 基於鏈表的實現類LinkedBlockingQueue和LinkedBlockingDeque
- 基於堆的實現類PriorityBlockingQueue
我們會在后續章節介紹這些類，在實際系統中，應該考慮使用這些類。
小結
本節介紹了Java中線程間協作的基本機制wait/notify，協作關鍵要想清楚協作的共享變量和條件是什么，為進一步理解，本節針對生產者/消費者模式演示了wait/notify的用法。
下一節，我們來繼續探討其他協作模式。
(與其他章節一樣，本節所有代碼位於 https://github.com/swiftma/program-logic)
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