java condition await signal signalall对比wait notify notifyall

http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920385.html

Java并发编程：线程间协作的两种方式：wait、notify、notifyAll和Condition

　　在前面我们将了很多关于同步的问题，然而在现实中，需要线程之间的协作。比如说最经典的生产者-消费者模型：当队列满时，生产者需要等待队列有空间才能继续往里面放入商品，而在等待的期间内，生产者必须释放对临界资源（即队列）的占用权。因为生产者如果不释放对临界资源的占用权，那么消费者就无法消费队列中的商品，就不会让队列有空间，那么生产者就会一直无限等待下去。因此，一般情况下，当队列满时，会让生产者交出对临界资源的占用权，并进入挂起状态。然后等待消费者消费了商品，然后消费者通知生产者队列有空间了。同样地，当队列空时，消费者也必须等待，等待生产者通知它队列中有商品了。这种互相通信的过程就是线程间的协作。

　　今天我们就来探讨一下Java中线程协作的最常见的两种方式：利用Object.wait()、Object.notify()和使用Condition

　　以下是本文目录大纲：

　　一.wait()、notify()和notifyAll()

　　二.Condition

　　三.生产者-消费者模型的实现

　　若有不正之处请多多谅解，并欢迎批评指正。

　　请尊重作者劳动成果，转载请标明原文链接：

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一.wait()、notify()和notifyAll()

　　wait()、notify()和notifyAll()是Object类中的方法：

/**
 * Wakes up a single thread that is waiting on this object's 
 * monitor. If any threads are waiting on this object, one of them 
 * is chosen to be awakened. The choice is arbitrary and occurs at 
 * the discretion of the implementation. A thread waits on an object's 
 * monitor by calling one of the wait methods
 */
public final native void notify();
 
/**
 * Wakes up all threads that are waiting on this object's monitor. A 
 * thread waits on an object's monitor by calling one of the 
 * wait methods.
 */
public final native void notifyAll();
 
/**
 * Causes the current thread to wait until either another thread invokes the 
 * {@link java.lang.Object#notify()} method or the 
 * {@link java.lang.Object#notifyAll()} method for this object, or a 
 * specified amount of time has elapsed. 
 * <p>
 * The current thread must own this object's monitor. 
 */
public final native void wait(long timeout) throws InterruptedException;

　　从这三个方法的文字描述可以知道以下几点信息：

　　1）wait()、notify()和notifyAll()方法是本地方法，并且为final方法，无法被重写。

　　2）调用某个对象的wait()方法能让当前线程阻塞，并且当前线程必须拥有此对象的monitor（即锁）

　　3）调用某个对象的notify()方法能够唤醒一个正在等待这个对象的monitor的线程，如果有多个线程都在等待这个对象的monitor，则只能唤醒其中一个线程；

　　4）调用notifyAll()方法能够唤醒所有正在等待这个对象的monitor的线程；

　　有朋友可能会有疑问：为何这三个不是Thread类声明中的方法，而是Object类中声明的方法（当然由于Thread类继承了Object类，所以Thread也可以调用者三个方法）？其实这个问题很简单，由于每个对象都拥有monitor（即锁），所以让当前线程等待某个对象的锁，当然应该通过这个对象来操作了。而不是用当前线程来操作，因为当前线程可能会等待多个线程的锁，如果通过线程来操作，就非常复杂了。

　　上面已经提到，如果调用某个对象的wait()方法，当前线程必须拥有这个对象的monitor（即锁），因此调用wait()方法必须在同步块或者同步方法中进行（synchronized块或者synchronized方法）。

　　调用某个对象的wait()方法，相当于让当前线程交出此对象的monitor，然后进入等待状态，等待后续再次获得此对象的锁（Thread类中的sleep方法使当前线程暂停执行一段时间，从而让其他线程有机会继续执行，但它并不释放对象锁）；

　　notify()方法能够唤醒一个正在等待该对象的monitor的线程，当有多个线程都在等待该对象的monitor的话，则只能唤醒其中一个线程，具体唤醒哪个线程则不得而知。

　　同样地，调用某个对象的notify()方法，当前线程也必须拥有这个对象的monitor，因此调用notify()方法必须在同步块或者同步方法中进行（synchronized块或者synchronized方法）。

　　nofityAll()方法能够唤醒所有正在等待该对象的monitor的线程，这一点与notify()方法是不同的。

　　这里要注意一点：notify()和notifyAll()方法只是唤醒等待该对象的monitor的线程，并不决定哪个线程能够获取到monitor。

　　举个简单的例子：假如有三个线程Thread1、Thread2和Thread3都在等待对象objectA的monitor，此时Thread4拥有对象objectA的monitor，当在Thread4中调用objectA.notify()方法之后，Thread1、Thread2和Thread3只有一个能被唤醒。注意，被唤醒不等于立刻就获取了objectA的monitor。假若在Thread4中调用objectA.notifyAll()方法，则Thread1、Thread2和Thread3三个线程都会被唤醒，至于哪个线程接下来能够获取到objectA的monitor就具体依赖于操作系统的调度了。

　　上面尤其要注意一点，一个线程被唤醒不代表立即获取了对象的monitor，只有等调用完notify()或者notifyAll()并退出synchronized块，释放对象锁后，其余线程才可获得锁执行。

下面看一个例子就明白了：

public class Test {
    public static Object object = new Object();
    public static void main(String[] args) {
        Thread1 thread1 = new Thread1();
        Thread2 thread2 = new Thread2();
         
        thread1.start();
         
        try {
            Thread.sleep(200);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
         
        thread2.start();
    } 
     
    static class Thread1 extends Thread{
        @Override
        public void run() {
            synchronized (object) {
                try {
                    object.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                }
                System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"获取到了锁");
            }
        }
    }
     
    static class Thread2 extends Thread{
        @Override
        public void run() {
            synchronized (object) {
                object.notify();
                System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"调用了object.notify()");
            }
            System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"释放了锁");
        }
    }
}

　　无论运行多少次，运行结果必定是：

线程Thread-1调用了object.notify()
线程Thread-1释放了锁
线程Thread-0获取到了锁

二.Condition

　　Condition是在java 1.5中才出现的，它用来替代传统的Object的wait()、notify()实现线程间的协作，相比使用Object的wait()、notify()，使用Condition1的await()、signal()这种方式实现线程间协作更加安全和高效。因此通常来说比较推荐使用Condition，在阻塞队列那一篇博文中就讲述到了，阻塞队列实际上是使用了Condition来模拟线程间协作。

Condition是个接口，基本的方法就是await()和signal()方法；
Condition依赖于Lock接口，生成一个Condition的基本代码是lock.newCondition()
调用Condition的await()和signal()方法，都必须在lock保护之内，就是说必须在lock.lock()和lock.unlock之间才可以使用

　　Conditon中的await()对应Object的wait()；

　　Condition中的signal()对应Object的notify()；

　　Condition中的signalAll()对应Object的notifyAll()。

三.生产者-消费者模型的实现

1.使用Object的wait()和notify()实现：

public class Test {
    private int queueSize = 10;
    private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<Integer>(queueSize);
      
    public static void main(String[] args)  {
        Test test = new Test();
        Producer producer = test.new Producer();
        Consumer consumer = test.new Consumer();
          
        producer.start();
        consumer.start();
    }
      
    class Consumer extends Thread{
          
        @Override
        public void run() {
            consume();
        }
          
        private void consume() {
            while(true){
                synchronized (queue) {
                    while(queue.size() == 0){
                        try {
                            System.out.println("队列空，等待数据");
                            queue.wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                            queue.notify();
                        }
                    }
                    queue.poll();          //每次移走队首元素
                    queue.notify();
                    System.out.println("从队列取走一个元素，队列剩余"+queue.size()+"个元素");
                }
            }
        }
    }
      
    class Producer extends Thread{
          
        @Override
        public void run() {
            produce();
        }
          
        private void produce() {
            while(true){
                synchronized (queue) {
                    while(queue.size() == queueSize){
                        try {
                            System.out.println("队列满，等待有空余空间");
                            queue.wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                            queue.notify();
                        }
                    }
                    queue.offer(1);        //每次插入一个元素
                    queue.notify();
                    System.out.println("向队列取中插入一个元素，队列剩余空间："+(queueSize-queue.size()));
                }
            }
        }
    }
}

2.使用Condition实现

public class Test {
    private int queueSize = 10;
    private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<Integer>(queueSize);
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition notFull = lock.newCondition();
    private Condition notEmpty = lock.newCondition();
     
    public static void main(String[] args)  {
        Test test = new Test();
        Producer producer = test.new Producer();
        Consumer consumer = test.new Consumer();
          
        producer.start();
        consumer.start();
    }
      
    class Consumer extends Thread{
          
        @Override
        public void run() {
            consume();
        }
          
        private void consume() {
            while(true){
                lock.lock();
                try {
                    while(queue.size() == 0){
                        try {
                            System.out.println("队列空，等待数据");
                            notEmpty.await();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                    queue.poll();                //每次移走队首元素
                    notFull.signal();
                    System.out.println("从队列取走一个元素，队列剩余"+queue.size()+"个元素");
                } finally{
                    lock.unlock();
                }
            }
        }
    }
      
    class Producer extends Thread{
          
        @Override
        public void run() {
            produce();
        }
          
        private void produce() {
            while(true){
                lock.lock();
                try {
                    while(queue.size() == queueSize){
                        try {
                            System.out.println("队列满，等待有空余空间");
                            notFull.await();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                    queue.offer(1);        //每次插入一个元素
                    notEmpty.signal();
                    System.out.println("向队列取中插入一个元素，队列剩余空间："+(queueSize-queue.size()));
                } finally{
                    lock.unlock();
                }
            }
        }
    }
}

摘要：通过之前讨论的锁对象,我们知道了,由于线程按照时间片调度,所以使用锁对象来在多线程共享资源时保护未执行完成的线程安全。那么,我们再来考虑这样一种情况:如果我的线程执行过程中因为没有满足一些必要的条件而导致线程暂停执行怎么办?比如,我们还用银行账户系统做例子,如果有一条线程是从我的账户转出1000元到其他账户,可是我的账户余额不足1000元,那么怎么办?也许你会直接简单地想到,加上一个if条件语句做一下判断不就可以了,就像这样:if(bank.getBalance(from)&
通过之前讨论的锁对象,我们知道了,由于线程按照时间片调度,所以使用锁对象来在多线程共享资源时保护未执行完成的线程安全。那么,我们再来考虑这样一种情况:
如果我的线程执行过程中因为没有满足一些必要的条件而导致线程暂停执行怎么办?
比如,我们还用银行账户系统做例子,如果有一条线程是从我的账户转出 1000 元到其他账户,可是我的账户余额不足 1000 元,那么怎么办?也许你会直接简单地想到,加上一个 if 条件语句做一下判断不就可以了,就像这样:
1. if (bank.getBalance(from) >= amount)
2. bank.transfer(from, to, amount);
但是,要注意,千万不能这样写,因为,很有可能会出现这样的情况:
1. 先执行 if 语句检查我的账户余额,余额满足条件
2. 线程时间片结束被中断暂停
3. 在这期间执行了一条从我的账户取钱的线程,取出钱后余额就不足了
4. 线程恢复执行,此时余额不足但是已经执行完毕了 if 语句

由此可见,这样的代码藏有致命的 bug ,那么,我再来做修改,也许我们可以把锁对象用上,这样即使线程暂停也不会受影响了。是的,这样做确实可以防止其他线程对余额的操作,可是,这里面还是有问题:
比如,我的余额一开始就不够,这时恰好也有一个存钱的线程进来,如果钱能顺利存进来我的余额就足够了,可是,我们的锁对象却把存钱线程拒之门外,这样反而不利于线程的顺利执行了

鉴于此,我们就需要引入条件对象

通过调用 newCondition 方法可以获得一个条件对象,而且,应该养成一个给每个条件对象起个好名字的习惯,应该用其所表达的条件为其命名,这样使人一目了然。在文中的例子中,我们用 sufficientFunds(余额充足)作为条件对象的名字
1. class Bank{
2. private Condition sufficientFunds;
3. ...
4. public Bank(){
5. ...
6. sufficientFunds = bankLock.newCondition();
7. }
8. }
如果 transfer 方法发现余额不足的时候,就会调用:
sufficientFunds.await( );
这时,当前线程就被阻塞(Blocked)了,并且放弃了锁对象,等待着其他的线程满足它所需的条件

等待获得锁的线程和调用 await 的线程存在本质上的不同,一旦一个线程调用 await 方法,它进入该条件的等待集,当锁可用时,该线程不能马上解除阻塞,相反,它处于阻塞状态,直到另一个线程调用同一条件上的 signalAll 方法为止

在本例中,当我们的条件对象调用 await 方法处于阻塞状态时,它就在等待一个转账存钱的线程来满足它的条件,因此,我们在写代码时,就可以为转账存钱的线程最后调用 sufficientFunds.signalAll( ) 方法
这一调用重新激活因为这一条件而等待的所有线程,当这些线程从等待集中移出时,它们再次成为可运行的,调度器将再次激活它们。同时,它们将试图重新进入该对象。一旦锁成为可用的,它们中的某个将从 await 调用返回,获得该锁并从被阻塞的地方继续执行。
因此,当条件对象被重新激活从 await 返回时,应该再次测试条件,因为即使我的账户已经有了收入,条件还不一定被满足
我们应该将 await 调用放入循环体中
1. while (条件没有被满足)
2. condition.await();
我们还应该注意的是,当一个线程调用 await 后,它无法激活自身,只能依靠等待其他的线程来满足它的条件才能继续执行,如果没有其他线程满足它的条件,它将永远无法继续执行,这就是死锁现象

那么,应该在什么时候调用 signalAll 方法呢?应该在每次对象状态有利于等待线程的方向改变时调用。也就是本例中,一个账户余额发生改变时调用

综上所述,最终的 transfer 方法应该写成这样:
1. public void transfer(int from, int to, int amount){
2. bankLock.lock();
3. try{
4. while(accounts[from] < amount)
5. sufficientFunds.await();
6. // transfer funds
7. ...
8. sufficientFunds.signalAll();
9. }
10. finally{
11. bankLock.unlock();
12. }
13. }
最后还要注意,Java 中有 signal 和 signalAll 两种方法,signal 是随机解除一个等待集中的线程的阻塞状态,signalAll 是解除所有等待集中的线程的阻塞状态。signal 方法的效率会比 signalAll 高,但是它存在危险,因为它一次只解除一个线程的阻塞状态,因此,如果等待集中有多个线程都满足了条件,也只能唤醒一个,其他的线程可能会导致死锁