Java 之 线程 —线程通信( 等待唤醒机制)

一、线程间通信

  概念:多个线程在处理同一资源,但是处理的动作(线程的任务)却不相同。

  例如

    线程 A 用来生成包子的,线程 B 用来吃包子的,包子可以理解为同一资源,线程 A 与线程 B 处理的动作,一个是生产,一个是消费,那么线程 A 与线程 B 之间就存在线程通信问题。

  Java 之 线程 —线程通信( 等待唤醒机制)

  为什么要处理线程间通信:

  多个线程并发执行,在默认情况下 CPU 是随机切换线程的,当我们需要多个线程来共同完成同一件任务,并且希望它们有规律的执行,那么多线程之间需要一些协调通信,以此来帮我们达到多线程共同操作一份数据。

  如何保证线程间通信有效利用资源:

  多个线程在处理同一个资源,并且任务不同时,需要线程通信来帮助解决线程之间对同一个变量的使用或操作。就是多个线程在操作同一份数据时,避免对统一共享变量的争夺。

  这时需要通过一定的手段使各个线程能有效的利用资源,这种手段称为——等待唤醒机制

二、等待唤醒机制

  什么是等待唤醒机制

    这是多个线程间的一种协作机制。线程之间常见的就是线程间的竞争(race),但是线程之间也会有协作机制。好比同一公司员工,存在晋升的时候,也有一起合作的时候。

    当一个线程进行了规定操作后,就进入等待状态(wait),等待其他线程执行完他们的指定代码后,再将其唤醒(notify);在有多个线程进行等待时,如果需要,使用 notifyAll() 来唤醒所有的等待线程。

    wait / notify 就是线程间的一种协作机制。 

  等待唤醒中的方法

    等待唤醒机制就是用于解决线程间通信的问题,使用到的3个方法如下:

    1. wait 

      线程不再活动,不再参与调度,进入 wait set 中,因此不会浪费 CPU 资源,也不会去竞争锁了,这时的线程状态即是 waiting。该线程要等着别的线程执行一个特别的动作,即 “通知(notify)” 在这个对象上等待的线程从 wait set 中释放出来,重写进入到调度队列(ready queue)中。

    2. notify

      则选取所通知对象的 wait set 中的一个线程释放;例如:餐馆有空位置后,等待就餐最久的顾客先入座。

    3. notifyAll

      则释放所通知对象的 wait set 上的全部线程。

    注意

      哪怕只通知了一个等待的线程,被通知线程也不能立即恢复执行,因为它当初中断的地方是在同步块内,而此刻它已经不支持有锁,所有它需要再次尝试去获取锁(很可能面临其他线程的竞争),成功后才能在当初调用 wait 方法之后的地方恢复执行。

    小结

      •  如果能获取锁,线程就从 waiting 状态变成 Runnable 状态
      • 没有获取锁,从 wait set 出来,又进入 entry set,线程就从 waiting 状态又变成 blocked 状态。

  调用 wait 和 notify 方法需要注意的细节

    1. wait 方法与 notify 方法必须要由同一个锁对象调用。

      因为:对应的锁对象可以通过 notify 唤醒使用同一个锁对象调用的 wait 方法后的线程。

    2. wait 方法与 notify 方法属于 Object 类的方法。

      因为:锁对象可以是任意对象,而任意对象的所属类都是继承 Object 类的。

    3. wait 方法与 notify 方法必须在同步代码块或者是同步方法中使用

      因为:必须要通过锁对象调用这两个方法。

  扩展:wait() 与 sleep() 的区别?

(1)wait() 释放锁,sleep() 不释放锁

(2)wait()是 Object 类中声明的,sleep() 是Thread 类中声明的

(3)wait() 必须有“锁,监视器”对象来调用,如果由别的对象调用会报IllegleMoniterStateException

         sleep()是静态方法,Thread类名调用就可以

(4)wait()使得当前线程进入阻塞状态后,由notify唤醒

          sleep()使得当前线程进入阻塞状态后,时间到或被interrupt()醒来。

三、生产者与消费者问题

  等待唤醒机制其实就是经典的“生产者与消费者”的问题。

  下面拿生产包子消费包子来描述等待唤醒机制如何有效利用资源:

 包子铺线程生产包子,吃货线程消费包子。当包子没有时(包子状态为false),吃货线程等待,包子铺线程生产包子
(即包子状态为true),并通知吃货线程(解除吃货的等待状态),因为已经有包子了,那么包子铺线程进入等待状态。
接下来,吃货线程能否进一步执行则取决于锁的获取情况。如果吃货获取到锁,那么就执行吃包子动作,包子吃完(包
子状态为false),并通知包子铺线程(解除包子铺的等待状态),吃货线程进入等待。包子铺线程能否进一步执行则取
决于锁的获取情况。

  代码演示:

  包子资源类:

 public class BaoZi {
//皮
String pi;
//陷
String xian;
//包子的状态: 有 true,没有 false,设置初始值为false没有包子
boolean flag = false; }

  生产包子线程类:

 public class BaoZiPu extends Thread{
//1.需要在成员位置创建一个包子变量
private BaoZi bz; //2.使用带参数构造方法,为这个包子变量赋值
public BaoZiPu(BaoZi bz) {
this.bz = bz;
} //设置线程任务(run):生产包子
@Override
public void run() {
//定义一个变量
int count = 0;
//让包子铺一直生产包子
while(true){
//必须同时同步技术保证两个线程只能有一个在执行
synchronized (bz){
//对包子的状态进行判断
if(bz.flag==true){
//包子铺调用wait方法进入等待状态
try {
bz.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
} //被唤醒之后执行,包子铺生产包子
//增加一些趣味性:交替生产两种包子
if(count%2==0){
//生产 薄皮三鲜馅包子
bz.pi = "薄皮";
bz.xian = "三鲜馅";
}else{
//生产 冰皮 牛肉大葱陷
bz.pi = "冰皮";
bz.xian = "牛肉大葱陷"; }
count++;
System.out.println("包子铺正在生产:"+bz.pi+bz.xian+"包子");
//生产包子需要3秒钟
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
//包子铺生产好了包子
//修改包子的状态为true有
bz.flag = true;
//唤醒消费者线程,让顾客线程吃包子
bz.notify();
System.out.println("包子铺已经生产好了:"+bz.pi+bz.xian+"包子,吃货可以开始吃了");
}
}
}
}

  消费者线程:

 public class ChiHuo extends Thread{
//1.需要在成员位置创建一个包子变量
private BaoZi bz; //2.使用带参数构造方法,为这个包子变量赋值
public ChiHuo(BaoZi bz) {
this.bz = bz;
}
//设置线程任务(run):吃包子
@Override
public void run() {
//使用死循环,让吃货一直吃包子
while (true){
//必须同时同步技术保证两个线程只能有一个在执行
synchronized (bz){
//对包子的状态进行判断
if(bz.flag==false){
//吃货调用wait方法进入等待状态
try {
bz.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
} //被唤醒之后执行的代码,吃包子
System.out.println("吃货正在吃:"+bz.pi+bz.xian+"的包子");
//吃货吃完包子
//修改包子的状态为false没有
bz.flag = false;
//吃货唤醒包子铺线程,生产包子
bz.notify();
System.out.println("吃货已经把:"+bz.pi+bz.xian+"的包子吃完了,包子铺开始生产包子");
System.out.println("----------------------------------------------------");
}
}
}
}

  测试类:

 public class Demo {
public static void main(String[] args) {
//创建包子对象;
BaoZi bz =new BaoZi();
//创建包子铺线程,开启,生产包子;
new BaoZiPu(bz).start();
//创建吃货线程,开启,吃包子;
new ChiHuo(bz).start();
}
}
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