[Java并发-5]用“等待-通知”机制优化循环等待

由上一篇文章你应该已经知道，在 破坏占用且等待条件 的时候，如果转出账本和转入账本不满足同时在文件架上这个条件，就用死循环的方式来循环等待，核心代码如下：

// 一次性申请转出账户和转入账户，直到成功
while(!actr.apply(this, target))
  ；

如果 apply() 操作耗时非常短，而且并发冲突量也不大时，这个方案还挺不错的，因为这种场景下，循环上几次或者几十次就能一次性获取转出账户和转入账户了。但是如果 apply() 操作耗时长，或者并发冲突量大的时候，可能要循环上万次才能获取到锁，太消耗 CPU 了。

其实在这种场景下，最好的方案应该是：如果线程要求的条件（转出账本和转入账本同在文件架上）不满足，则线程阻塞自己，进入等待状态；当线程要求的条件（转出账本和转入账本同在文件架上）满足后, 通知等待的线程重新执行。其中，使用线程阻塞的方式就能避免循环等待消耗 CPU 的问题。

下面我们就来看看 Java 语言是如何支持 等待 - 通知机制

这里直接给出 等待 - 通知机制 的相关步骤：

线程首先获取互斥锁，当线程要求的条件不满足时，释放互斥锁，进入等待状态；当要求的条件满足时，通知其他等待的线程，重新获取互斥锁.

用 synchronized 实现等待 - 通知机制

在 Java 语言里，等待 - 通知机制可以有多种实现方式，比如 Java 语言内置的 synchronized 配合 wait()、notify()、notifyAll() 这三个方法就能轻松实现。

先用 synchronized 实现互斥锁。在下面这个图里，左边有一个等待队列，同一时刻，只允许一个线程进入 synchronized 保护的临界区，当有一个线程进入临界区后，其他线程就只能进入图中左边的等待队列里等待。 这个等待队列和互斥锁是一对一的关系，每个互斥锁都有自己独立的等待队列。

wait() 操作工作原理图

在并发程序中，当一个线程进入临界区后，由于某些条件不满足，需要进入等待状态，Java 对象的 wait() 方法就能够满足这种需求。如上图所示，当调用 wait() 方法后，当前线程就会被阻塞，并且进入到右边的等待队列中，这个等待队列也是互斥锁的等待队列。 线程在进入等待队列的同时，会释放持有的互斥锁，线程释放锁后，其他线程就有机会获得锁，并进入临界区了。

那线程要求的条件满足时，该怎么通知这个等待的线程呢？很简单，就是 Java 对象的 notify() 和 notifyAll() 方法。我在下面这个图里为你大致描述了这个过程，当条件满足时调用 notify()，会通知等待队列（互斥锁的等待队列）中的线程，告诉它条件曾经满足过

notify() 操作工作原理图

为什么说是曾经满足过呢？因为 notify() 只能保证在通知时间点，条件是满足的。而被通知线程的执行时间点和通知的时间点基本上不会重合，所以当线程执行的时候，很可能条件已经不满足了（可能会有其他线程插队）。这一点你需要格外注意。除此之外，还有一个需要注意的点，被通知的线程要想重新执行，仍然需要获取到互斥锁（因为曾经获取的锁在调用 wait() 时已经释放了）。

注意 wait()、notify()、notifyAll() 方法操作的等待队列是互斥锁的等待队列，所以方法要使用在
锁上，synchronized 锁定的是 this，那么对应的一定是 this.wait()、this.notify()、this.notifyAll()；。而且 wait()、notify()、notifyAll() 这三个方法能够被调用的前提是已经获取了相应的互斥锁，所以我们会发现 wait()、notify()、notifyAll() 都是在 synchronized{}内部被调用的。如果在 synchronized{}外部调用，或者锁定的 this，而用 target.wait() 调用的话，JVM 会抛出一个运行时异常：java.lang.IllegalMonitorStateException

一个更好地资源分配器

等待 - 通知机制的基本原理搞清楚后，我们来看看它如何解决一次性申请转出账户和转入账户的问题。在这个等待 - 通知机制中，我们需要考虑以下四个要素。

• 互斥锁：上一篇文章我们提到 Allocator 需要是单例的，所以我们可以用 this 作为互斥锁。
• 线程要求的条件：转出账户和转入账户都没有被分配过。
• 何时等待：线程要求的条件不满足就等待。
• 何时通知：当有线程释放账户时就通知。

注意下面的判断方式

  while(条件不满足) {
    wait();
  }

利用这种范式可以解决上面提到的条件曾经满足过的情况。至于为什么这么写，后面讲解 管程的时候会在详细解释。

来看完成后的代码

class Allocator {
  private List<Object> als;
  // 一次性申请所有资源
  synchronized void apply(
    Object from, Object to){
    // 经典写法
    while(als.contains(from) ||
         als.contains(to)){
      try{
        wait();
      }catch(Exception e){
      }   
    } 
    als.add(from);
    als.add(to);  
  }
  // 归还资源
  synchronized void free(
    Object from, Object to){
    als.remove(from);
    als.remove(to);
    notifyAll();
  }
}

尽量使用 notifyAll()

在上面的代码中，我用的是 notifyAll() 来实现通知机制，为什么不使用 notify() 呢？这二者是有区别的。

notify() 是会随机地通知等待队列中的一个线程，而 notifyAll() 会通知等待队列中的所有线程。

从感觉上来讲，应该是 notify() 更好一些，因为即便通知所有线程，也只有一个线程能够进入临界区。但实际上使用 notify() 也很有风险，它的风险在于可能导致某些线程永远不会被通知到。

假设我们有资源 A、B、C、D，线程 1 申请到了 AB，线程 2 申请到了 CD，此时线程 3 申请 AB，会进入等待队列（AB 分配给线程 1，线程 3 要求的条件不满足），线程 4 申请 CD 也会进入等待队列。我们再假设之后线程 1 归还了资源 AB，如果使用 notify() 来通知等待队列中的线程，有可能被通知的是线程 4，但线程 4 申请的是 CD，所以此时线程 4 还是会继续等待，而真正该唤醒的线程 3 就再也没有机会被唤醒了。

所以除非经过深思熟虑，否则尽量使用 notifyAll()。

总结

Java 语言的这种实现，背后的理论模型其实是管程，后面会专门介绍管程。现在你只需要能够熟练使用就可以了。

思考：wait() 方法和 sleep() 方法都能让当前线程挂起一段时间，那它们的区别是什么？