【69期】面試官：對并發(fā)熟悉嗎？談?wù)劸€程間的協(xié)作(wait/notify/sleep/yield/join)

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來自：www.cnblogs.com/paddix/p/5381958.html

一、線程的狀態(tài)

Java中線程中狀態(tài)可分為五種：New（新建狀態(tài)），Runnable（就緒狀態(tài)），Running（運行狀態(tài)），Blocked（阻塞狀態(tài)），Dead（死亡狀態(tài)）。

• New：新建狀態(tài)，當(dāng)線程創(chuàng)建完成時為新建狀態(tài)，即new Thread(…)，還沒有調(diào)用start方法時，線程處于新建狀態(tài)。

• Runnable：就緒狀態(tài)，當(dāng)調(diào)用線程的的start方法后，線程進入就緒狀態(tài)，等待CPU資源。處于就緒狀態(tài)的線程由Java運行時系統(tǒng)的線程調(diào)度程序(thread scheduler)來調(diào)度。

• Running：運行狀態(tài)，就緒狀態(tài)的線程獲取到CPU執(zhí)行權(quán)以后進入運行狀態(tài)，開始執(zhí)行run方法。

• Blocked：阻塞狀態(tài)，線程沒有執(zhí)行完，由于某種原因（如，I/O操作等）讓出CPU執(zhí)行權(quán)，自身進入阻塞狀態(tài)。

• Dead：死亡狀態(tài)，線程執(zhí)行完成或者執(zhí)行過程中出現(xiàn)異常，線程就會進入死亡狀態(tài)。

這五種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下圖所示：

有了對這五種狀態(tài)的基本了解，現(xiàn)在我們來看看Java中是如何實現(xiàn)這幾種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換的。　

二、wait/notify/notifyAll方法的使用

1、wait方法：

JDK中一共提供了這三個版本的方法，

• wait()方法的作用是將當(dāng)前運行的線程掛起（即讓其進入阻塞狀態(tài)），直到notify或notifyAll方法來喚醒線程.

• wait(long timeout)，該方法與wait()方法類似，唯一的區(qū)別就是在指定時間內(nèi)，如果沒有notify或notifAll方法的喚醒，也會自動喚醒。

• 至于wait(long timeout,long nanos)，本意在于更精確的控制調(diào)度時間，不過從目前版本來看，該方法貌似沒有完整的實現(xiàn)該功能，其源碼(JDK1.8)如下：

public?final?void?wait(long?timeout,?int?nanos)?throws?InterruptedException?{
????????if?(timeout?0)?{
????????????throw?new?IllegalArgumentException("timeout?value?is?negative");
????????}

????????if?(nanos?0?||?nanos?>?999999)?{
????????????throw?new?IllegalArgumentException(
????????????????????????????????"nanosecond?timeout?value?out?of?range");
????????}

????????if?(nanos?>=?500000?||?(nanos?!=?0?&&?timeout?==?0))?{
????????????timeout++;
????????}

????????wait(timeout);
????}

從源碼來看，JDK8中對納秒的處理，只做了四舍五入，所以還是按照毫秒來處理的，可能在未來的某個時間點會用到納秒級別的精度。雖然JDK提供了這三個版本，其實最后都是調(diào)用wait(long timeout)方法來實現(xiàn)的，wait()方法與wait(0)等效，而wait(long timeout,int nanos)從上面的源碼可以看到也是通過wait(long timeout)來完成的。

下面我們通過一個簡單的例子來演示wait()方法的使用：

package?com.paddx.test.concurrent;

public?class?WaitTest?{

????public?void?testWait(){
????????System.out.println("Start-----");
????????try?{
????????????wait(1000);
????????}?catch?(InterruptedException?e)?{
????????????e.printStackTrace();
????????}
????????System.out.println("End-------");
????}

????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????final?WaitTest?test?=?new?WaitTest();
????????new?Thread(new?Runnable()?{
????????????@Override
????????????public?void?run()?{
????????????????test.testWait();
????????????}
????????}).start();
????}
}

這段代碼的意圖很簡單，就是程序執(zhí)行以后，讓其暫停一秒，然后再執(zhí)行。運行上述代碼，查看結(jié)果：

Start-----
Exception?in?thread?"Thread-0"?java.lang.IllegalMonitorStateException
????at?java.lang.Object.wait(Native?Method)
????at?com.paddx.test.concurrent.WaitTest.testWait(WaitTest.java:8)
????at?com.paddx.test.concurrent.WaitTest$1.run(WaitTest.java:20)
????at?java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

這段程序并沒有按我們的預(yù)期輸出相應(yīng)結(jié)果，而是拋出了一個異常。大家可能會覺得奇怪為什么會拋出異常？而拋出的IllegalMonitorStateException異常又是什么？我們可以看一下JDK中對IllegalMonitorStateException的描述：

Thrown to indicate that a thread has attempted to wait on an object's monitor or to notify other threads waiting on an object's monitor without owning the specified monitor.

這句話的意思大概就是：線程試圖等待對象的監(jiān)視器或者試圖通知其他正在等待對象監(jiān)視器的線程，但本身沒有對應(yīng)的監(jiān)視器的所有權(quán)。

其實這個問題在《【68期】面試官：對并發(fā)熟悉嗎？說說Synchronized及實現(xiàn)原理》一文中有提到過，wait方法是一個本地方法，其底層是通過一個叫做監(jiān)視器鎖的對象來完成的。所以上面之所以會拋出異常，是因為在調(diào)用wait方式時沒有獲取到monitor對象的所有權(quán)，那如何獲取monitor對象所有權(quán)？

Java中只能通過Synchronized關(guān)鍵字來完成，修改上述代碼，增加Synchronized關(guān)鍵字：

package?com.paddx.test.concurrent;

public?class?WaitTest?{

????public?synchronized?void?testWait(){//增加Synchronized關(guān)鍵字
????????System.out.println("Start-----");
????????try?{
????????????wait(1000);
????????}?catch?(InterruptedException?e)?{
????????????e.printStackTrace();
????????}
????????System.out.println("End-------");
????}

????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????final?WaitTest?test?=?new?WaitTest();
????????new?Thread(new?Runnable()?{
????????????@Override
????????????public?void?run()?{
????????????????test.testWait();
????????????}
????????}).start();
????}
}

現(xiàn)在再運行上述代碼，就能看到預(yù)期的效果了：

Start-----
End-------

所以，通過這個例子，大家應(yīng)該很清楚，wait方法的使用必須在同步的范圍內(nèi)，否則就會拋出IllegalMonitorStateException異常，wait方法的作用就是阻塞當(dāng)前線程等待notify/notifyAll方法的喚醒，或等待超時后自動喚醒。

2、notify/notifyAll方法

有了對wait方法原理的理解，notify方法和notifyAll方法就很容易理解了。既然wait方式是通過對象的monitor對象來實現(xiàn)的，所以只要在同一對象上去調(diào)用notify/notifyAll方法，就可以喚醒對應(yīng)對象monitor上等待的線程了。

notify和notifyAll的區(qū)別在于前者只能喚醒monitor上的一個線程，對其他線程沒有影響，而notifyAll則喚醒所有的線程，看下面的例子很容易理解這兩者的差別：

package?com.paddx.test.concurrent;

public?class?NotifyTest?{
????public?synchronized?void?testWait(){
????????System.out.println(Thread.currentThread().getName()?+"?Start-----");
????????try?{
????????????wait(0);
????????}?catch?(InterruptedException?e)?{
????????????e.printStackTrace();
????????}
????????System.out.println(Thread.currentThread().getName()?+"?End-------");
????}

????public?static?void?main(String[]?args)?throws?InterruptedException?{
????????final?NotifyTest?test?=?new?NotifyTest();
????????for(int?i=0;i<5;i++)?{
????????????new?Thread(new?Runnable()?{
????????????????@Override
????????????????public?void?run()?{
????????????????????test.testWait();
????????????????}
????????????}).start();
????????}

????????synchronized?(test)?{
????????????test.notify();
????????}
????????Thread.sleep(3000);
????????System.out.println("-----------分割線-------------");

????????synchronized?(test)?{
????????????test.notifyAll();
????????}
????}
}

輸出結(jié)果如下：

Thread-0?Start-----
Thread-1?Start-----
Thread-2?Start-----
Thread-3?Start-----
Thread-4?Start-----
Thread-0?End-------
-----------分割線-------------
Thread-4?End-------
Thread-3?End-------
Thread-2?End-------
Thread-1?End-------

從結(jié)果可以看出：調(diào)用notify方法時只有線程Thread-0被喚醒，但是調(diào)用notifyAll時，所有的線程都被喚醒了。

最后，有兩點需要注意：

1.調(diào)用wait方法后，線程是會釋放對monitor對象的所有權(quán)的。

2.一個通過wait方法阻塞的線程，必須同時滿足以下兩個條件才能被真正執(zhí)行：

• 線程需要被喚醒（超時喚醒或調(diào)用notify/notifyll）。

• 線程喚醒后需要競爭到鎖（monitor）。

三、sleep/yield/join方法解析

上面我們已經(jīng)清楚了wait和notify方法的使用和原理，現(xiàn)在我們再來看另外一組線程間協(xié)作的方法。這組方法跟上面方法的最明顯區(qū)別是：這幾個方法都位于Thread類中，而上面三個方法都位于Object類中。至于為什么，大家可以先思考一下。現(xiàn)在我們逐個分析sleep/yield/join方法：

1、sleep

sleep方法的作用是讓當(dāng)前線程暫停指定的時間（毫秒），sleep方法是最簡單的方法，在上述的例子中也用到過，比較容易理解。唯一需要注意的是其與wait方法的區(qū)別。最簡單的區(qū)別是，wait方法依賴于同步，而sleep方法可以直接調(diào)用。而更深層次的區(qū)別在于sleep方法只是暫時讓出CPU的執(zhí)行權(quán)，并不釋放鎖。而wait方法則需要釋放鎖。

package?com.paddx.test.concurrent;

public?class?SleepTest?{
????public?synchronized?void?sleepMethod(){
????????System.out.println("Sleep?start-----");
????????try?{
????????????Thread.sleep(1000);
????????}?catch?(InterruptedException?e)?{
????????????e.printStackTrace();
????????}
????????System.out.println("Sleep?end-----");
????}

????public?synchronized?void?waitMethod(){
????????System.out.println("Wait?start-----");
????????synchronized?(this){
????????????try?{
????????????????wait(1000);
????????????}?catch?(InterruptedException?e)?{
????????????????e.printStackTrace();
????????????}
????????}
????????System.out.println("Wait?end-----");
????}

????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????final?SleepTest?test1?=?new?SleepTest();

????????for(int?i?=?0;i<3;i++){
????????????new?Thread(new?Runnable()?{
????????????????@Override
????????????????public?void?run()?{
????????????????????test1.sleepMethod();
????????????????}
????????????}).start();
????????}


????????try?{
????????????Thread.sleep(10000);//暫停十秒，等上面程序執(zhí)行完成
????????}?catch?(InterruptedException?e)?{
????????????e.printStackTrace();
????????}
????????System.out.println("-----分割線-----");

????????final?SleepTest?test2?=?new?SleepTest();

????????for(int?i?=?0;i<3;i++){
????????????new?Thread(new?Runnable()?{
????????????????@Override
????????????????public?void?run()?{
????????????????????test2.waitMethod();
????????????????}
????????????}).start();
????????}

????}
}

執(zhí)行結(jié)果：

Sleep?start-----
Sleep?end-----
Sleep?start-----
Sleep?end-----
Sleep?start-----
Sleep?end-----
-----分割線-----
Wait?start-----
Wait?start-----
Wait?start-----
Wait?end-----
Wait?end-----
Wait?end-----

這個結(jié)果的區(qū)別很明顯，通過sleep方法實現(xiàn)的暫停，程序是順序進入同步塊的，只有當(dāng)上一個線程執(zhí)行完成的時候，下一個線程才能進入同步方法，sleep暫停期間一直持有monitor對象鎖，其他線程是不能進入的。而wait方法則不同，當(dāng)調(diào)用wait方法后，當(dāng)前線程會釋放持有的monitor對象鎖，因此，其他線程還可以進入到同步方法，線程被喚醒后，需要競爭鎖，獲取到鎖之后再繼續(xù)執(zhí)行。

2、yield方法

yield方法的作用是暫停當(dāng)前線程，以便其他線程有機會執(zhí)行，不過不能指定暫停的時間，并且也不能保證當(dāng)前線程馬上停止。yield方法只是將Running狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镽unnable狀態(tài)。我們還是通過一個例子來演示其使用：

package?com.paddx.test.concurrent;

public?class?YieldTest?implements?Runnable?{
????@Override
????public?void?run()?{
????????try?{
????????????Thread.sleep(100);
????????}?catch?(InterruptedException?e)?{
????????????e.printStackTrace();
????????}
????????for(int?i=0;i<5;i++){
????????????System.out.println(Thread.currentThread().getName()?+?":?"?+?i);
????????????Thread.yield();
????????}
????}

????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????YieldTest?runn?=?new?YieldTest();
????????Thread?t1?=?new?Thread(runn,"FirstThread");
????????Thread?t2?=?new?Thread(runn,"SecondThread");

????????t1.start();
????????t2.start();

????}
}

運行結(jié)果如下：

FirstThread:?0
SecondThread:?0
FirstThread:?1
SecondThread:?1
FirstThread:?2
SecondThread:?2
FirstThread:?3
SecondThread:?3
FirstThread:?4
SecondThread:?4

這個例子就是通過yield方法來實現(xiàn)兩個線程的交替執(zhí)行。不過請注意：這種交替并不一定能得到保證，源碼中也對這個問題進行說明：

/**
?????*?A?hint?to?the?scheduler?that?the?current?thread?is?willing?to?yield
?????*?its?current?use?of?a?processor.?The?scheduler?is?free?to?ignore?this
?????*?hint.
?????*
?????*?
?Yield?is?a?heuristic?attempt?to?improve?relative?progression
?????*?between?threads?that?would?otherwise?over-utilise?a?CPU.?Its?use
?????*?should?be?combined?with?detailed?profiling?and?benchmarking?to
?????*?ensure?that?it?actually?has?the?desired?effect.
?????*
?????*?
?It?is?rarely?appropriate?to?use?this?method.?It?may?be?useful
?????*?for?debugging?or?testing?purposes,?where?it?may?help?to?reproduce
?????*?bugs?due?to?race?conditions.?It?may?also?be?useful?when?designing
?????*?concurrency?control?constructs?such?as?the?ones?in?the
?????*?{@link?java.util.concurrent.locks}?package.
*/

這段話主要說明了三個問題：

• 調(diào)度器可能會忽略該方法。

• 使用的時候要仔細分析和測試，確保能達到預(yù)期的效果。

• 很少有場景要用到該方法，主要使用的地方是調(diào)試和測試。　　

3、join方法

join方法的作用是父線程等待子線程執(zhí)行完成后再執(zhí)行，換句話說就是將異步執(zhí)行的線程合并為同步的線程。JDK中提供三個版本的join方法，其實現(xiàn)與wait方法類似，join()方法實際上執(zhí)行的join(0)，而join(long millis, int nanos)也與wait(long millis, int nanos)的實現(xiàn)方式一致，暫時對納秒的支持也是不完整的。我們可以看下join方法的源碼，這樣更容易理解：

public?final?void?join()?throws?InterruptedException?{
????????join(0);
????}

?public?final?synchronized?void?join(long?millis)
????throws?InterruptedException?{
????????long?base?=?System.currentTimeMillis();
????????long?now?=?0;

????????if?(millis?0)?{
????????????throw?new?IllegalArgumentException("timeout?value?is?negative");
????????}

????????if?(millis?==?0)?{
????????????while?(isAlive())?{
????????????????wait(0);
????????????}
????????}?else?{
????????????while?(isAlive())?{
????????????????long?delay?=?millis?-?now;
????????????????if?(delay?<=?0)?{
????????????????????break;
????????????????}
????????????????wait(delay);
????????????????now?=?System.currentTimeMillis()?-?base;
????????????}
????????}
????}

public?final?synchronized?void?join(long?millis,?int?nanos)
????throws?InterruptedException?{

????????if?(millis?0)?{
????????????throw?new?IllegalArgumentException("timeout?value?is?negative");
????????}

????????if?(nanos?0?||?nanos?>?999999)?{
????????????throw?new?IllegalArgumentException(
????????????????????????????????"nanosecond?timeout?value?out?of?range");
????????}

????????if?(nanos?>=?500000?||?(nanos?!=?0?&&?millis?==?0))?{
????????????millis++;
????????}

????????join(millis);
????}

大家重點關(guān)注一下join(long millis)方法的實現(xiàn)，可以看出join方法就是通過wait方法來將線程的阻塞，如果join的線程還在執(zhí)行，則將當(dāng)前線程阻塞起來，直到j(luò)oin的線程執(zhí)行完成，當(dāng)前線程才能執(zhí)行。

不過有一點需要注意，這里的join只調(diào)用了wait方法，卻沒有對應(yīng)的notify方法，原因是Thread的start方法中做了相應(yīng)的處理，所以當(dāng)join的線程執(zhí)行完成以后，會自動喚醒主線程繼續(xù)往下執(zhí)行。下面我們通過一個例子來演示join方法的作用：

（1）不使用join方法：

package?com.paddx.test.concurrent;

public?class?JoinTest?implements?Runnable{
????@Override
????public?void?run()?{

????????try?{
????????????System.out.println(Thread.currentThread().getName()?+?"?start-----");
????????????Thread.sleep(1000);
????????????System.out.println(Thread.currentThread().getName()?+?"?end------");
????????}?catch?(InterruptedException?e)?{
????????????e.printStackTrace();
????????}
????}

????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????for?(int?i=0;i<5;i++)?{
????????????Thread?test?=?new?Thread(new?JoinTest());
????????????test.start();
????????}

????????System.out.println("Finished~~~");
????}
}

執(zhí)行結(jié)果如下：

Thread-0?start-----
Thread-1?start-----
Thread-2?start-----
Thread-3?start-----
Finished~~~
Thread-4?start-----
Thread-2?end------
Thread-4?end------
Thread-1?end------
Thread-0?end------
Thread-3?end------

（2）使用join方法：

package?com.paddx.test.concurrent;

public?class?JoinTest?implements?Runnable{
????@Override
????public?void?run()?{

????????try?{
????????????System.out.println(Thread.currentThread().getName()?+?"?start-----");
????????????Thread.sleep(1000);
????????????System.out.println(Thread.currentThread().getName()?+?"?end------");
????????}?catch?(InterruptedException?e)?{
????????????e.printStackTrace();
????????}
????}

????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????for?(int?i=0;i<5;i++)?{
????????????Thread?test?=?new?Thread(new?JoinTest());
????????????test.start();
????????????try?{
????????????????test.join();?//調(diào)用join方法
????????????}?catch?(InterruptedException?e)?{
????????????????e.printStackTrace();
????????????}
????????}

????????System.out.println("Finished~~~");
????}
}

執(zhí)行結(jié)果如下：

Thread-0?start-----
Thread-0?end------
Thread-1?start-----
Thread-1?end------
Thread-2?start-----
Thread-2?end------
Thread-3?start-----
Thread-3?end------
Thread-4?start-----
Thread-4?end------
Finished~~~

對比兩段代碼的執(zhí)行結(jié)果很容易發(fā)現(xiàn)，在沒有使用join方法之間，線程是并發(fā)執(zhí)行的，而使用join方法后，所有線程是順序執(zhí)行的。

四、總結(jié)

本文主要詳細講解了wait/notify/notifyAll和sleep/yield/join方法。最后回答一下上面提出的問題：wait/notify/notifyAll方法的作用是實現(xiàn)線程間的協(xié)作，那為什么這三個方法不是位于Thread類中，而是位于Object類中？位于Object中，也就相當(dāng)于所有類都包含這三個方法（因為Java中所有的類都繼承自O(shè)bject類）。

要回答這個問題，還是得回過來看wait方法的實現(xiàn)原理，大家需要明白的是，wait等待的到底是什么東西？如果對上面內(nèi)容理解的比較好的話，我相信大家應(yīng)該很容易知道wait等待其實是對象monitor，由于Java中的每一個對象都有一個內(nèi)置的monitor對象，自然所有的類都理應(yīng)有wait/notify方法。

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