线程间的通信与生产者消费者模型
在前面我们讲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。
在Java中线程协作有最常见的两种方式：1）利用Object.wait()、Object.notify()；2）使用Condition
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）。如果在调用wait（）时，没有持有适当的锁，则抛出IllegalMonitorStateException，它是RuntimeException的一个子类。
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；如果在调用notify（）时没有持有适当的锁，也会抛出IllegalMonitorStateException。
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；
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。
举个例子：
public class WaitNotifyTest {
private static Object obj = new Object();
public static void main(String[] args) throws Exception {
Thread t1 = new Thread() {
public void run() {
synchronized(obj) {
try {
obj.wait();
} catch (InterruptedException ex) {}
System.out.println("t1 成功获得了锁");
}
}
};
Thread t2 = new Thread() {
public void run() {
synchronized(obj) {
System.out.println("t2 调用notify()");
obj.notify();
}
System.out.println("t2 释放了锁");
}
};
t1.start();
Thread.sleep(2000);
t2.start();
}
}
无论如何运行，执行结果如下：
t2 调用notify()
t2 释放了锁
t1 成功获得了锁
显式的Condition对象
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Condition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。
Condition是个接口，基本的方法如下：
public interface Condition {
void await() throws InterruptedException;
void awaitUninterruptibly();
long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
void signal();
void signalAll();
}
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()。
生产者与消费者模型
1）使用内置锁、Object的wait()和notify()实现：
public class ProducerAndConsumer {
public static void main(String[] args) {
Producer producer = new Producer();
Consumer consumer = new Consumer();
for (int i=0; i<5; i++) {
new Thread(producer).start();
new Thread(consumer).start();
}
}
private static final int CAPACITY = 10;
private static final LinkedList<Integer> list = new LinkedList<Integer>();
private static final Object obj = new Object();
static class Producer implements Runnable {
private static final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
public void run() {
for (int i=0; i<10; i++)
produce();
}
private void produce() {
synchronized (obj) {
while (list.size() == CAPACITY) {
try {
obj.wait();
} catch (InterruptedException ex) {
}
}
Integer num = count.incrementAndGet();
list.add(num);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "生产了 " + num);
obj.notifyAll();
}
}
}
static class Consumer implements Runnable {
public void run() {
for (int i=0; i<10; i++)
consume();
}
private void consume() {
synchronized (obj) {
while (list.size() == 0) {
try {
obj.wait();
} catch (InterruptedException ex) {
}
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "消费了 " + list.remove());
obj.notifyAll();
}
}
}
}
注意：在多生产者和多消费者的模式下，必须要使用Object.notifyAll()方法，并且当线程唤醒之后要循环判断条件是否满足，否则很容易陷入死锁的状态。
2）使用显式锁和Condition实现
public class ConditionTest {
public static void main(String[] args) {
Producer producer = new Producer();
Consumer consumer = new Consumer();
for (int i=0; i<5; i++) {
new Thread(producer).start();
new Thread(consumer).start();
}
}
private static final int CAPACITY = 1;
private static final LinkedList<Integer> list = new LinkedList<Integer>();
private static final Lock lock = new ReentrantLock();
private static final Condition notFull = lock.newCondition();
private static final Condition notEmpty = lock.newCondition();
static class Producer implements Runnable {
private static final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
public void run() {
for (int i=0; i<10; i++)
produce();
}
private void produce() {
lock.lock();
try {
while (list.size() == CAPACITY) {
try {
notFull.await();
} catch (InterruptedException ex) {
}
}
Integer num = count.incrementAndGet();
list.add(num);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "生产了 " + num);
notEmpty.signal();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
static class Consumer implements Runnable {
public void run() {
for (int i=0; i<10; i++)
consume();
}
private void consume() {
lock.lock();
try {
while (list.size() == 0) {
try {
notEmpty.await();
} catch (InterruptedException ex) {
}
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "消费了 " + list.remove());
notFull.signal();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
}
两种实现方式的区别
1）使用内置锁时，每个锁都只能有一个相关联的条件队列，因而在像上面的例子中，多个线程可能在同一个条件队列上等待不同的条件谓词，如：生产者线程在等待队列notFull，消费者线程在等待队列notEmpty。当条件满足时，必须使用notifyAll()方法唤醒所有等待的线程，否则程序很容易产生活跃性故障：死锁。但是，当使用notifyAll()方法唤醒所有线程后，会使得所有线程在锁上发生竞争，然后，大多数线程又都回到等待状态，因此将出现大量的上下文切换操作以及发生竞争的锁获取操作。
2）使用内置锁时，最大的问题就是：无法根据满足的条件去唤醒对应的线程，如：notEmpty时唤醒消费者线程，notFull时唤醒生产者线程。而使用Lock时，可以产生多个与之关联的条件队列，不同类型的线程将在不同的条件队列上等待，当条件满足时，可以使用signal()方法唤醒相应的线程，从而极大地减少上下文切换与锁请求的次数。
另外，Condition比Object提供了更丰富的功能：在每个锁上可存在多个等待、条件等待可以是可中断的或不可中断的、基于时限的等待，以及公平的或非公平的队列操作。Condition对象继承了相关的Lock对象的公平性，对于公平的锁，线程会依照FIFO顺序从Condition.await中释放。
