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2021
12-11

java wait()/notify() 实现生产者消费者模式详解

java wait()/notify() 实现生产者消费者模式

java中的多线程会涉及到线程间通信，常见的线程通信方式，例如共享变量、管道流等，这里我们要实现生产者消费者模式，也需要涉及到线程通信，不过这里我们用到了java中的wait()、notify()方法：

wait()：进入临界区的线程在运行到一部分后，发现进行后面的任务所需的资源还没有准备充分，所以调用wait()方法，让线程阻塞，等待资源，同时释放临界区的锁，此时线程的状态也从RUNNABLE状态变为WAITING状态；

notify()：准备资源的线程在准备好资源后，调用notify()方法通知需要使用资源的线程，同时释放临界区的锁，将临界区的锁交给使用资源的线程。

wait()、notify()这两个方法，都必须要在临界区中调用，即是在synchronized同步块中调用，不然会抛出IllegalMonitorStateException的异常。

实现源码：

生产者线程类：

package threads; 
import java.util.List;
import java.util.UUID; 
public class Producer extends Thread{ 
 private List<String> storage;//生产者仓库
 public Producer(List<String> storage) {
  this.storage = storage;
 }
 public void run(){
  //生产者每隔1s生产1~100消息
  long oldTime = System.currentTimeMillis();
  while(true){
   synchronized(storage){
    if (System.currentTimeMillis() - oldTime >= 1000) {
     oldTime = System.currentTimeMillis();
     int size = (int)(Math.random()*100) + 1;
     for (int i = 0; i < size; i++) {
      String msg = UUID.randomUUID().toString();
      storage.add(msg);
     }
     System.out.println("线程"+this.getName()+"生产消息"+size+"条");
     storage.notify();
    }
   }
  }
 }
}

消费者线程类：

package threads; 
import java.util.List; 
public class Consumer extends Thread{ 
 private List<String> storage;//仓库
 public Consumer(List<String> storage) {
  this.storage = storage;
 }
 public void run(){
  while(true){
   synchronized(storage){
    //消费者去仓库拿消息的时候，如果发现仓库数据为空，则等待
    if (storage.isEmpty()) {
     try {
      storage.wait();
     } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
     }
    }
    int size = storage.size();
    for (int i = size - 1; i >= 0; i--) {
     storage.remove(i);
    }
    System.out.println("线程"+this.getName()+"成功消费"+size+"条消息");
   }
  }
 }
}

仓库类：

package threads; 
import java.util.ArrayList;
import java.util.List; 

public class Storage { 
 private List<String> storage;//生产者和消费者共享的仓库
 public Storage() {
  storage = new ArrayList<String>();
 }
 public List<String> getStorage() {
  return storage;
 }
 public void setStorage(List<String> storage) {
  this.storage = storage;
 } 
}

main方法类：

package threads; 
public class App { 
 public static void main(String[] args) {
  Storage storage = new Storage();
  Producer producer = new Producer(storage.getStorage());
  Consumer consumer = new Consumer(storage.getStorage());
  producer.start();
  consumer.start();
 }
}

生产消费效果：

Wait/Notify通知机制解析

前言

我们知道，java的wait/notify的通知机制可以用来实现线程间通信。wait表示线程的等待，调用该方法会导致线程阻塞，直至另一线程调用notify或notifyAll方法才可另其继续执行。经典的生产者、消费者模式即是使用wait/notify机制得以完成。在这篇文章中，我们将深入解析这一机制，了解其背后的原理。

线程的状态

在了解wait/notify机制前，先熟悉一下java线程的几个生命周期。分别为初始（NEW）、运行(RUNNABLE)、阻塞(BLOCKED)、等待(WAITING)、超时等待(TIMED_WAITING)、终止(TERMINATED)等状态（位于java.lang.Thread.State枚举类中）。

以下是对这几个状态的简要说明，详细说明见该类注释。

状态名称 说明
NEW 初始状态，线程被构建，但未调用start()方法
RUNNABLE 运行状态，调用start()方法后。在java线程中，将操作系统线程的就绪和运行统称运行状态
BLOCKED 阻塞状态，线程等待进入synchronized代码块或方法中，等待获取锁
WAITING 等待状态，线程可调用wait、join等操作使自己陷入等待状态，并等待其他线程做出特定操作（如notify或中断）
TIMED_WAITING 超时等待，线程调用sleep(timeout)、wait(timeout)等操作进入超时等待状态，超时后自行返回
TERMINATED 终止状态，线程运行结束

对于以上线程间的状态及转化关系，我们需要知道

  • WAITING(等待状态)和TIMED_WAITING(超时等待)都会令线程进入等待状态，不同的是TIMED_WAITING会在超时后自行返回，而WAITING则需要等待至条件改变。
  • 进入阻塞状态的唯一前提是在等待获取同步锁。java注释说的很明白，只有两种情况可以使线程进入阻塞状态：一是等待进入synchronized块或方法，另一个是在调用wait()方法后重新进入synchronized块或方法。下文会有详细解释。
  • Lock类对于锁的实现不会令线程进入阻塞状态，Lock底层调用LockSupport.park()方法，使线程进入的是等待状态。

wait/notify用例

让我们先通过一个示例解析

wait()方法可以使线程进入等待状态，而notify()可以使等待的状态唤醒。这样的同步机制十分适合生产者、消费者模式：消费者消费某个资源，而生产者生产该资源。当该资源缺失时，消费者调用wait()方法进行自我阻塞，等待生产者的生产；生产者生产完毕后调用notify/notifyAll()唤醒消费者进行消费。

以下是代码示例，其中flag标志表示资源的有无。

public class ThreadTest {
    static final Object obj = new Object();
    private static boolean flag = false;
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Thread consume = new Thread(new Consume(), "Consume");
        Thread produce = new Thread(new Produce(), "Produce");
        consume.start();
        Thread.sleep(1000);
        produce.start();
        try {
            produce.join();
            consume.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    // 生产者线程
    static class Produce implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            synchronized (obj) {
                System.out.println("进入生产者线程");
                System.out.println("生产");
                try {
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(2000);  //模拟生产过程
                    flag = true;
                    obj.notify();  //通知消费者
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1000);  //模拟其他耗时操作
                    System.out.println("退出生产者线程");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
    //消费者线程
    static class Consume implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            synchronized (obj) {
                System.out.println("进入消费者线程");
                System.out.println("wait flag 1:" + flag);
                while (!flag) {  //判断条件是否满足，若不满足则等待
                    try {
                        System.out.println("还没生产，进入等待");
                        obj.wait();
                        System.out.println("结束等待");
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                System.out.println("wait flag 2:" + flag);
                System.out.println("消费");
                System.out.println("退出消费者线程");
            }
        }
    }
}

输出结果为：

进入消费者线程

wait flag 1:false

还没生产，进入等待

进入生产者线程

生产

退出生产者线程

结束等待

wait flag 2:true

消费

退出消费者线程

理解了输出结果的顺序，也就明白了wait/notify的基本用法。有以下几点需要知道：

  • 在示例中没有体现但很重要的是，wait/notify方法的调用必须处在该对象的锁（Monitor）中，也即，在调用这些方法时首先需要获得该对象的锁。否则会爬出IllegalMonitorStateException异常。
  • 从输出结果来看，在生产者调用notify()后，消费者并没有立即被唤醒，而是等到生产者退出同步块后才唤醒执行。（这点其实也好理解，synchronized同步方法（块）同一时刻只允许一个线程在里面，生产者不退出，消费者也进不去）
  • 注意，消费者被唤醒后是从wait()方法（被阻塞的地方）后面执行，而不是重新从同步块开头。

深入了解

这一节我们探讨wait/notify与线程状态之间的关系。深入了解线程的生命周期。

由前面线程的状态转化图可知，当调用wait()方法后，线程会进入WAITING(等待状态)，后续被notify()后，并没有立即被执行，而是进入等待获取锁的阻塞队列。

对于每个对象来说，都有自己的等待队列和阻塞队列。以前面的生产者、消费者为例，我们拿obj对象作为对象锁，配合图示。内部流程如下

  • 当线程A（消费者）调用wait()方法后，线程A让出锁，自己进入等待状态，同时加入锁对象的等待队列。
  • 线程B（生产者）获取锁后，调用notify方法通知锁对象的等待队列，使得线程A从等待队列进入阻塞队列。
  • 线程A进入阻塞队列后，直至线程B释放锁后，线程A竞争得到锁继续从wait()方法后执行。

以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持自学编程网。

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