正确使用 wait/notify/notify方法以及源码解析

前几篇复习了下《线程的创建方式》、《线程的状态》、《Thread 的源码解析》这几篇文章。这篇是第四篇，讲讲 Object 几个跟线程获取释放锁相关的方法：wait、notify、notifyAll。

wait 方法源码解析

由于 wait () 是 Object 类的 native 方法，在 idea 中，它长这样：

public final native void wait(long timeout) throws InterruptedException;

看不了源码，那只能看源码的注释，注释太长，我摘取一些关键的点出来：

1、
Causes the current thread to wait until either another thread 
invokes the notify() method or the notifyAll() method for this object, 
or a specified amount of time has elapsed.

The current thread must own this object's monitor.

2、
In other words,waits should always occur in loops.like this one:
synchronized(obj) {
    while (condition does not hold)
        obj.wait(timeout);
    // Perform action appropriate to condition
}

3、
@throws IllegalArgumentException
if the value of timeout isnegative.

@throws IllegalMonitorStateException
if the current thread is notthe owner of the object 's monitor.

@throws InterruptedException
if any thread interrupted the current thread before or while the current thread was waiting
for a notification.
The interrupted status of the current thread is cleared when this exception is thrown.

注释中提到几点：

• wait 会让当前线程进入等待状态，除非其他线程调用了 notify 或者 notifyAll 方法唤醒它，又或者等待时间到。另外，当前线程必须持有对象监控器（也就是使用 synchronized 加锁）
• 必须把 wait 方法写在 synchronized 保护的 while 代码块中，并始终判断执行条件是否满足，如果满足就往下继续执行，如果不满足就执行 wait 方法，而在执行 wait 方法之前，必须先持有对象的 monitor 锁，也就是通常所说的 synchronized 加锁。
• 超时时间非法，抛 IllegalArgumentException 异常；不持有对象的 monitor 锁，抛 IllegalMonitorStateException 异常；在等待期间被其他线程中断，抛出 InterruptedException 异常。

为什么 wait 必须在 synchronized 保护的同步代码中使用？

逆向思考下，没有 synchronized 保护的情况下，我们使用会出现啥问题？先试着来模拟一个简单的生产者消费者例子：

public class BlockingQueue {

    Queue<String> buffer = new LinkedList<String>();

    // 生产者，负责往队列放数据
    public void give(String data) {
        buffer.add(data);
        notify();
    }

    // 消费者，主要是取数据
    public String take() throws InterruptedException {
        while (buffer.isEmpty()) {
            wait();
        }
        return buffer.remove();
    }

}

首先 give () 往队列里放数据，放完以后执行 notify 方法来唤醒之前等待的线程；take () 检查整个 buffer 是否为空，如果为空就进入等待，如果不为空就取出一个数据。但在这里我们并没有用 synchronized 修饰。假设我们现在只有一个生产者和一个消费者，那就有可能出现以下情况：

• 此时，生产者无数据。消费者线程调用 take ()，while 条件为 true。正常来说，这时应该去调用 wait () 等待，但此时消费者在调用 wait 之前，被被调度器暂停了，还没来得及调用 wait。
• 到生产者调用 give 方法，放入数据并视图唤醒消费者线程。可这个时候唤醒不起作用呀。消费者并没有在等待。
• 最后，消费者回去调用 wait 方法，就进入了无限等待中。

看明白了吗？第一步时，消费者判断了 while 条件，但真正执行 wait 方法时，生产者已放入数据，之前的 buffer.isEmpty 的结果已经过期了，因为这里的 “判断 - 执行” 不是一个原子操作，它在中间被打断了，是线程不安全的。

正确的写法应该是这样子的：以下写法就确保永远 notify 方法不会在 buffer.isEmpty 和 wait 方法之间被调用，也就不会有线程安全问题。

public class BlockingQueue {

    Queue<String> buffer = new LinkedList<String>();

    // 生产者，负责往队列放数据
    public void give(String data) {
        synchronized(this) {
            buffer.add(data);
            notify();
        }
    }

    // 消费者，主要是取数据
    public String take() throws InterruptedException {
        synchronized(this) {
            while (buffer.isEmpty()) {
                wait();
            }
            return buffer.remove();
        }
    }

}

notify & notifyAll

notify & notifyAll 都是 Object 的 native 方法，在 IDEA 中看不到它的源码，同样是只能看注释。

public final native void notify();

public final native void notifyAll();

注释中主要提到以下几点：

• notify () 随机唤醒一个等待该对象锁的线程，即使是多个也随机唤醒其中一个（跟线程优先级无关）。
• notifyAll () 通知所有在等待该竞争资源的线程，谁抢到锁谁拥有执行权（跟线程优先级无关）。
• 当前线程不持有对象的 monitor 锁，抛 IllegalMonitorStateException 异常。

为啥 wait & notify & notifyAll 定义在 Object 中，而 sleep 定义在 Thread 中？

两点原因：

• Java 的每个对象都有一把称之为 monitor 监视器的锁，每个对象都可以上锁，所以在对象头中有一个用来保存锁信息的位置。这个锁是对象级别的，而不是线程级别的，每个对象都有锁，通过线程获得。如果线程需要等待某些锁那么调用对象中的 wait 方法就有意义了，它等待的就是这个对象的锁。如果 wait 方法定义在 Thread 类中，线程正在等待的是哪个锁就不明显了。简单来说，由于 wait & notify & notifyAll 是锁级别的操作，所以把他们定义在 Object 类中因为锁属于对象。
• 再者，如果把它们定义在 Thread 中，会带来很多问题。一个线程可以有多把锁，你调用 wait 或者 notify，我怎么知道你要等待的是哪把锁？唤醒的哪个线程呢？

wait 和 sleep 的异同

上次的文章我们已经看过了 sleep 的源码了，它们的相同点主要有：

• 它们都可以改变线程状态，让其进入计时等待。
• 它们都可以响应 interrupt 中断，并抛出 InterruptedException 异常。

不同点：

• wait 是 Object 类的方法，而 sleep 是 Thread 类的方法。
• wait 方法必须在 synchronized 保护的代码中使用，而 sleep 方法可在任意地方。
• 调用 sleep 方法不释放 monitor 锁，调用 wait 方法，会释放 monitor 锁。
• sleep 时间一到马上恢复执行（因为没有释放锁）；wait 需要等中断，或者对应对象的 notify 或 notifyAll 才会恢复，抢到锁才会执行（唤醒多个的情况）。

巨人的肩膀

• https://kaiwu.lagou.com/course/courseInfo.htm?courseId=16#/detail/pc?id=239