作者 | 王磊

來源 | Java中文社群（ID：javacn666）

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Condition 是 JDK 1.5 中提供的用來替代 wait 和 notify 的線程通訊方法，那么一定會(huì)有人問：為什么不能用 wait 和 notify 了？ 哥們我用的好好的。老弟別著急，聽我給你細(xì)說...

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。

接下來怎們就用代碼和流程圖的方式來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，我們先來演示一下線程“假死”的問題。

1.1 正常版本

在演示線程“假死”的問題之前，我們先使用 wait?和 notify?來實(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，我這里寫一個(gè)超級(jí)簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)版本。我們先來創(chuàng)建一個(gè)工廠類，工廠類里面包含兩個(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,消費(fèi)者和生產(chǎn)者通過調(diào)用工廠類實(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);
????}
}

接下來我們來創(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
????????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”問題，我們可以使用 Condition?來嘗試實(shí)現(xiàn)一下，Condition 是 JUC（java.util.concurrent）包下的類，需要使用 Lock 鎖來創(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），拋出 IllegalMonitorStateException 異常。

回歸主題

回到本文的主題，我們?nèi)绻褂?Condition?來實(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.性能問題

在上面我們演示 notify?會(huì)造成線程的“假死”問題的時(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”的問題，但同時(shí)會(huì)到來新的性能問題，空說無憑，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,消費(fèi)者和生產(chǎn)者通過調(diào)用工廠類實(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)程序來說，無疑是多此一舉，只會(huì)增加線程調(diào)度的開銷，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)并沒有任何多余的開銷，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)造成性能下降的問題，因此在進(jìn)行線程通訊時(shí)，強(qiáng)烈建議使用 Condition?類來實(shí)現(xiàn)。

PS：有人可能會(huì)問為什么不用 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，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？