求求你，別再用wait和notify了！
作者 | 王磊
來(lái)源 | Java中文社群（ID：javacn666）
Condition 是 JDK 1.5 中提供的用來(lái)替代 wait 和 notify 的線程通訊方法，那么一定會(huì)有人問(wèn)：為什么不能用 wait 和 notify 了？ 哥們我用的好好的。老弟別著急，聽(tīng)我給你細(xì)說(shuō)...
之所以推薦使用 Condition 而非 Object 中的 wait 和 notify 的原因有兩個(gè)：
使用 notify在極端環(huán)境下會(huì)造成線程“假死”；Condition性能更高。
接下來(lái)怎們就用代碼和流程圖的方式來(lái)演示上述的兩種情況。
1.notify 線程“假死”
所謂的線程“假死”是指，在使用 notify 喚醒多個(gè)等待的線程時(shí)，卻意外的喚醒了一個(gè)沒(méi)有“準(zhǔn)備好”的線程，從而導(dǎo)致整個(gè)程序進(jìn)入了阻塞的狀態(tài)不能繼續(xù)執(zhí)行。
以多線程編程中的經(jīng)典案例生產(chǎn)者和消費(fèi)者模型為例，我們先來(lái)演示一下線程“假死”的問(wèn)題。
1.1 正常版本
在演示線程“假死”的問(wèn)題之前，我們先使用 wait 和 notify 來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的生產(chǎn)者和消費(fèi)者模型，為了讓代碼更直觀，我這里寫(xiě)一個(gè)超級(jí)簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)版本。我們先來(lái)創(chuàng)建一個(gè)工廠類(lèi)，工廠類(lèi)里面包含兩個(gè)方法，一個(gè)是循環(huán)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的（存入）方法，另一個(gè)是循環(huán)消費(fèi)數(shù)據(jù)的（取出）方法，實(shí)現(xiàn)代碼如下。
/**
* 工廠類(lèi),消費(fèi)者和生產(chǎn)者通過(guò)調(diào)用工廠類(lèi)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)/消費(fèi)
*/
class Factory {
private int[] items = new int[1]; // 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容器(為了演示方便,設(shè)置容量最多存儲(chǔ) 1 個(gè)元素)
private int size = 0; // 實(shí)際存儲(chǔ)大小
/**
* 生產(chǎn)方法
*/
public synchronized void put() throws InterruptedException {
// 循環(huán)生產(chǎn)數(shù)據(jù)
do {
while (size == items.length) { // 注意不能是 if 判斷
// 存儲(chǔ)的容量已經(jīng)滿了,阻塞等待消費(fèi)者消費(fèi)之后喚醒
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 進(jìn)入阻塞");
this.wait();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被喚醒");
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 開(kāi)始工作");
items[0] = 1; // 為了方便演示,設(shè)置固定值
size++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 完成工作");
// 當(dāng)生產(chǎn)隊(duì)列有數(shù)據(jù)之后通知喚醒消費(fèi)者
this.notify();
} while (true);
}
/**
* 消費(fèi)方法
*/
public synchronized void take() throws InterruptedException {
// 循環(huán)消費(fèi)數(shù)據(jù)
do {
while (size == 0) {
// 生產(chǎn)者沒(méi)有數(shù)據(jù),阻塞等待
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 進(jìn)入阻塞(消費(fèi)者)");
this.wait();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被喚醒(消費(fèi)者)");
}
System.out.println("消費(fèi)者工作~");
size--;
// 喚醒生產(chǎn)者可以添加生產(chǎn)了
this.notify();
} while (true);
}
}
接下來(lái)我們來(lái)創(chuàng)建兩個(gè)線程，一個(gè)是生產(chǎn)者調(diào)用 put 方法，另一個(gè)是消費(fèi)者調(diào)用 take 方法，實(shí)現(xiàn)代碼如下：
public class NotifyDemo {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建工廠類(lèi)
Factory factory = new Factory();
// 生產(chǎn)者
Thread producer = new Thread(() -> {
try {
factory.put();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "生產(chǎn)者");
producer.start();
// 消費(fèi)者
Thread consumer = new Thread(() -> {
try {
factory.take();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "消費(fèi)者");
consumer.start();
}
}
執(zhí)行結(jié)果如下：
從上述結(jié)果可以看出，生產(chǎn)者和消費(fèi)者在循環(huán)交替的執(zhí)行任務(wù)，場(chǎng)面非常和諧，是我們想要的正確結(jié)果。
1.2 線程“假死”版本
當(dāng)只有一個(gè)生產(chǎn)者和一個(gè)消費(fèi)者時(shí)，wait 和 notify 方法不會(huì)有任何問(wèn)題，然而將生產(chǎn)者增加到兩個(gè)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)線程“假死”的問(wèn)題了，程序的實(shí)現(xiàn)代碼如下：
public class NotifyDemo {
public static void main(String[] args) {
// 創(chuàng)建工廠方法（工廠類(lèi)的代碼不變，這里不再?gòu)?fù)述）
Factory factory = new Factory();
// 生產(chǎn)者
Thread producer = new Thread(() -> {
try {
factory.put();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "生產(chǎn)者");
producer.start();
// 生產(chǎn)者 2
Thread producer2 = new Thread(() -> {
try {
factory.put();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "生產(chǎn)者2");
producer2.start();
// 消費(fèi)者
Thread consumer = new Thread(() -> {
try {
factory.take();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "消費(fèi)者");
consumer.start();
}
}
程序執(zhí)行結(jié)果如下：
從以上結(jié)果可以看出，當(dāng)我們將生產(chǎn)者的數(shù)量增加到 2 個(gè)時(shí)，就會(huì)造成線程“假死”阻塞執(zhí)行的問(wèn)題，當(dāng)生產(chǎn)者 2 被喚醒又被阻塞之后，整個(gè)程序就不能繼續(xù)執(zhí)行了。
線程“假死”問(wèn)題分析
我們先把以上程序的執(zhí)行步驟標(biāo)注一下，得到如下結(jié)果：
從上圖可以看出：當(dāng)執(zhí)行到第 ④ 步時(shí)，此時(shí)生產(chǎn)者為工作狀態(tài)，而生產(chǎn)者 2 和消費(fèi)者為等待狀態(tài)，此時(shí)正確的做法應(yīng)該是喚醒消費(fèi)著進(jìn)行消費(fèi)，然后消費(fèi)者消費(fèi)完之后再喚醒生產(chǎn)者繼續(xù)工作；但此時(shí)生產(chǎn)者卻錯(cuò)誤的喚醒了生產(chǎn)者 2，而生產(chǎn)者 2 因?yàn)殛?duì)列已經(jīng)滿了，所以自身并不具備繼續(xù)執(zhí)行的能力，因此就導(dǎo)致了整個(gè)程序的阻塞，流程圖如下所示：
正確執(zhí)行流程應(yīng)該是這樣的：
1.3 使用 Condition
為了解決線程的“假死”問(wèn)題，我們可以使用 Condition 來(lái)嘗試實(shí)現(xiàn)一下，Condition 是 JUC（java.util.concurrent）包下的類(lèi)，需要使用 Lock 鎖來(lái)創(chuàng)建，Condition 提供了 3 個(gè)重要的方法：
await：對(duì)應(yīng)wait方法；signal：對(duì)應(yīng)notify方法；signalAll：notifyAll方法。
Condition 的使用和 wait/notify 類(lèi)似，也是先獲得鎖然后在鎖中進(jìn)行等待和喚醒操作，Condition 的基礎(chǔ)用法如下：
// 創(chuàng)建 Condition 對(duì)象
Lock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();
// 加鎖
lock.lock();
try {
// 業(yè)務(wù)方法....
// 1.進(jìn)入等待狀態(tài)
condition.await();
// 2.喚醒操作
condition.signal();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
小知識(shí)：Lock的正確使用姿勢(shì)
切記 Lock 的 lock.lock() 方法不能放入 try 代碼中，如果 lock 方法在 try 代碼塊之內(nèi)，可能由于其它方法拋出異常，導(dǎo)致在 finally 代碼塊中， unlock 對(duì)未加鎖的對(duì)象解鎖，它會(huì)調(diào)用 AQS 的 tryRelease 方法（取決于具體實(shí)現(xiàn)類(lèi)），拋出 IllegalMonitorStateException 異常。
回歸主題
回到本文的主題，我們?nèi)绻褂?Condition 來(lái)實(shí)現(xiàn)線程的通訊就可以避免程序的“假死”情況，因?yàn)?Condition 可以創(chuàng)建多個(gè)等待集，以本文的生產(chǎn)者和消費(fèi)者模型為例，我們可以使用兩個(gè)等待集，一個(gè)用做消費(fèi)者的等待和喚醒，另一個(gè)用來(lái)喚醒生產(chǎn)者，這樣就不會(huì)出現(xiàn)生產(chǎn)者喚醒生產(chǎn)者的情況了（生產(chǎn)者只能喚醒消費(fèi)者，消費(fèi)者只能喚醒生產(chǎn)者）這樣整個(gè)流程就不會(huì)“假死”了，它的執(zhí)行流程如下圖所示：
了解了它的基本流程之后，咱們來(lái)看具體的實(shí)現(xiàn)代碼。
基于 Condition 的工廠實(shí)現(xiàn)代碼如下：
class FactoryByCondition {
private int[] items = new int[1]; // 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容器(為了演示方便,設(shè)置容量最多存儲(chǔ) 1 個(gè)元素)
private int size = 0; // 實(shí)際存儲(chǔ)大小
// 創(chuàng)建 Condition 對(duì)象
private Lock lock = new ReentrantLock();
// 生產(chǎn)者的 Condition 對(duì)象
private Condition producerCondition = lock.newCondition();
// 消費(fèi)者的 Condition 對(duì)象
private Condition consumerCondition = lock.newCondition();
/**
* 生產(chǎn)方法
*/
public void put() throws InterruptedException {
// 循環(huán)生產(chǎn)數(shù)據(jù)
do {
lock.lock();
while (size == items.length) { // 注意不能是 if 判斷
// 生產(chǎn)者進(jìn)入等待
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 進(jìn)入阻塞");
producerCondition.await();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被喚醒");
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 開(kāi)始工作");
items[0] = 1; // 為了方便演示,設(shè)置固定值
size++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 完成工作");
// 喚醒消費(fèi)者
consumerCondition.signal();
try {
} finally {
lock.unlock();
}
} while (true);
}
/**
* 消費(fèi)方法
*/
public void take() throws InterruptedException {
// 循環(huán)消費(fèi)數(shù)據(jù)
do {
lock.lock();
while (size == 0) {
// 消費(fèi)者阻塞等待
consumerCondition.await();
}
System.out.println("消費(fèi)者工作~");
size--;
// 喚醒生產(chǎn)者
producerCondition.signal();
try {
} finally {
lock.unlock();
}
} while (true);
}
}
兩個(gè)生產(chǎn)者和一個(gè)消費(fèi)者的實(shí)現(xiàn)代碼如下：
public class NotifyDemo {
public static void main(String[] args) {
FactoryByCondition factory = new FactoryByCondition();
// 生產(chǎn)者
Thread producer = new Thread(() -> {
try {
factory.put();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "生產(chǎn)者");
producer.start();
// 生產(chǎn)者 2
Thread producer2 = new Thread(() -> {
try {
factory.put();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "生產(chǎn)者2");
producer2.start();
// 消費(fèi)者
Thread consumer = new Thread(() -> {
try {
factory.take();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "消費(fèi)者");
consumer.start();
}
}
程序的執(zhí)行結(jié)果如下圖所示：
從上述結(jié)果可以看出，當(dāng)使用 Condition 時(shí)，生產(chǎn)者、消費(fèi)者、生產(chǎn)者 2 會(huì)一直交替循環(huán)執(zhí)行，執(zhí)行結(jié)果符合我們的預(yù)期。
2.性能問(wèn)題
在上面我們演示 notify 會(huì)造成線程的“假死”問(wèn)題的時(shí)候，一定有朋友會(huì)想到，如果把 notify 換成 notifyAll 線程就不會(huì)“假死”了。
這樣做法確實(shí)可以解決線程“假死”的問(wèn)題，但同時(shí)會(huì)到來(lái)新的性能問(wèn)題，空說(shuō)無(wú)憑，直接上代碼展示。
以下是使用 wait 和 notifyAll 改進(jìn)后的代碼：
/**
* 工廠類(lèi),消費(fèi)者和生產(chǎn)者通過(guò)調(diào)用工廠類(lèi)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)/消費(fèi)功能.
*/
class Factory {
private int[] items = new int[1]; // 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容器(為了演示方便,設(shè)置容量最多存儲(chǔ) 1 個(gè)元素)
private int size = 0; // 實(shí)際存儲(chǔ)大小
/**
* 生產(chǎn)方法
* @throws InterruptedException
*/
public synchronized void put() throws InterruptedException {
// 循環(huán)生產(chǎn)數(shù)據(jù)
do {
while (size == items.length) { // 注意不能是 if 判斷
// 存儲(chǔ)的容量已經(jīng)滿了,阻塞等待消費(fèi)者消費(fèi)之后喚醒
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 進(jìn)入阻塞");
this.wait();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被喚醒");
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 開(kāi)始工作");
items[0] = 1; // 為了方便演示,設(shè)置固定值
size++;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 完成工作");
// 喚醒所有線程
this.notifyAll();
} while (true);
}
/**
* 消費(fèi)方法
* @throws InterruptedException
*/
public synchronized void take() throws InterruptedException {
// 循環(huán)消費(fèi)數(shù)據(jù)
do {
while (size == 0) {
// 生產(chǎn)者沒(méi)有數(shù)據(jù),阻塞等待
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 進(jìn)入阻塞(消費(fèi)者)");
this.wait();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被喚醒(消費(fèi)者)");
}
System.out.println("消費(fèi)者工作~");
size--;
// 喚醒所有線程
this.notifyAll();
} while (true);
}
}
依舊是兩個(gè)生產(chǎn)者加一個(gè)消費(fèi)者，實(shí)現(xiàn)代碼如下：
public static void main(String[] args) {
Factory factory = new Factory();
// 生產(chǎn)者
Thread producer = new Thread(() -> {
try {
factory.put();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "生產(chǎn)者");
producer.start();
// 生產(chǎn)者 2
Thread producer2 = new Thread(() -> {
try {
factory.put();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "生產(chǎn)者2");
producer2.start();
// 消費(fèi)者
Thread consumer = new Thread(() -> {
try {
factory.take();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "消費(fèi)者");
consumer.start();
}
執(zhí)行的結(jié)果如下圖所示：
通過(guò)以上結(jié)果可以看出：當(dāng)我們調(diào)用 notifyAll 時(shí)確實(shí)不會(huì)造成線程“假死”了，但會(huì)造成所有的生產(chǎn)者都被喚醒了，但因?yàn)榇龍?zhí)行的任務(wù)只有一個(gè)，因此被喚醒的所有生產(chǎn)者中，只有一個(gè)會(huì)執(zhí)行正確的工作，而另一個(gè)則是啥也不干，然后又進(jìn)入等待狀態(tài)，這就行為對(duì)于整個(gè)程序來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是多此一舉，只會(huì)增加線程調(diào)度的開(kāi)銷(xiāo)，從而導(dǎo)致整個(gè)程序的性能下降。
反觀 Condition 的 await 和 signal 方法，即使有多個(gè)生產(chǎn)者，程序也只會(huì)喚醒一個(gè)有效的生產(chǎn)者進(jìn)行工作，如下圖所示：生產(chǎn)者和生產(chǎn)者 2 依次會(huì)被交替的喚醒進(jìn)行工作，所以這樣執(zhí)行時(shí)并沒(méi)有任何多余的開(kāi)銷(xiāo)，從而相比于 notifyAll 而言整個(gè)程序的性能會(huì)提升不少。
總結(jié)
本文我們通過(guò)代碼和流程圖的方式演示了 wait 方法和 notify/notifyAll 方法的使用缺陷，它的缺陷主要有兩個(gè)，一個(gè)是在極端環(huán)境下使用 notify 會(huì)造成程序“假死”的情況，另一個(gè)就是使用 notifyAll 會(huì)造成性能下降的問(wèn)題，因此在進(jìn)行線程通訊時(shí)，強(qiáng)烈建議使用 Condition 類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
PS：有人可能會(huì)問(wèn)為什么不用 Condition 的 signalAll 和 notifyAll 進(jìn)行性能對(duì)比？而使用 signal 和 notifyAll 進(jìn)行對(duì)比？我只想說(shuō)，既然使用 signal 可以實(shí)現(xiàn)此功能，為什么還要使用 signalAll 呢？這就好比在有暖氣的 25 度的房間里，穿一件短袖就可以了，為什么還要穿一件棉襖呢？
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