面試官提問：線程中的wait和notify方法有啥作用？
一、簡介
在之前的線程系列文章中，我們介紹了synchronized和volatile關(guān)鍵字，使用它能解決線程同步的問題，但是它們無法解決線程之間協(xié)調(diào)和通信的問題。
舉個(gè)簡單的例子，比如線程 A 負(fù)責(zé)將 int 型變量 i 值累加操作到 10000，然后通知線程 B 負(fù)責(zé)把結(jié)果打印出來。
這個(gè)怎么實(shí)現(xiàn)呢？其中一個(gè)最簡單的辦法就是，線程 B 不斷的通過輪詢方式while(i == 10000)檢查是否滿足條件，這樣就可以實(shí)現(xiàn)了。
雖然這種方式可以實(shí)現(xiàn)需求，但是也帶來了另一個(gè)問題：線程 B 中的while()操作不會(huì)釋放 CPU 資源，會(huì)導(dǎo)致 CPU 一直在這個(gè)方法上做判斷操作，極大的浪費(fèi) CPU 資源。
我們知道 CPU 資源是非常非常昂貴的，因?yàn)槭褂?CPU 資源不只是當(dāng)前一個(gè)應(yīng)用程序，還有其它許許多多的應(yīng)用程序。如果把這些輪詢的時(shí)間釋放出來，給別的線程使用，更能顯著提升應(yīng)用程序的運(yùn)行效率。比如，線程 A 操作完成之后，通知線程 B 進(jìn)行后續(xù)的操作，線程 B 無需通過輪詢檢查的方式來完成線程之間的協(xié)調(diào)，這樣是不是更好。
在 Java 的父類中，也就是Object類中，就有三個(gè)方法：wait()、notify()、notifyAll()，它們就可以實(shí)現(xiàn)線程之間的通信。
如果沒有接觸多線程，這些方法可能基本上使用不到。下面我們一起來看看它們的使用方式！
二、方法介紹
- wait()
wait()方法，顧名思義，表示等待的意思，它的作用是：使執(zhí)行當(dāng)前代碼的線程進(jìn)入阻塞狀態(tài)，將當(dāng)前線程置入"預(yù)執(zhí)行隊(duì)列"中，并且wait()所在的代碼處停止執(zhí)行，直到接到通知或被中斷。
不過有個(gè)前提，在調(diào)用wait()方法之前，線程必須獲得該對(duì)象的鎖，因此只能在synchronized修飾的同步方法/同步代碼塊中調(diào)用wait()方法；同時(shí)，wait()方法執(zhí)行后，會(huì)立即釋放獲得的對(duì)象鎖以便其它線程使用，當(dāng)前線程被阻塞，進(jìn)入等待狀態(tài)。
至于wait()為什么有阻塞的效果，其內(nèi)部機(jī)制非常復(fù)雜，主要由 JVM 的 C 代碼實(shí)現(xiàn)，大家了解就行。
- notify()
notify()方法，顧名思義，表示通知的意思，它的作用是：讓處于同一監(jiān)視器下的等待線程被重新喚醒，如果有多個(gè)線程等待，那么隨機(jī)挑選出一個(gè)等待的線程，對(duì)其發(fā)出通知notify()，并使它等待獲取該對(duì)象的對(duì)象鎖。
注意“等待獲取該對(duì)象的對(duì)象鎖”，這意味著即使收到了通知，等待的線程也不會(huì)馬上獲取對(duì)象鎖，必須等待notify()方法的線程釋放鎖才可以。
調(diào)用環(huán)境和wait()一樣，notify()也要在synchronized修飾的同步方法/同步代碼塊中調(diào)用。
- notifyAll()
notifyAll()方法，顧名思義，也是表示通知的意思，它的作用是：讓所有處于同一監(jiān)視器下的等待線程被重新喚醒，notify()方法只會(huì)隨機(jī)的喚醒一個(gè)線程，而使用notifyAll()方法將一次性全部喚醒。
通常來說，notifyAll()方法更安全，因?yàn)楫?dāng)我們的代碼邏輯考慮不周的時(shí)候，使用notify()會(huì)導(dǎo)致只喚醒了一個(gè)線程，而其他線程可能永遠(yuǎn)等待下去醒不過來了。
調(diào)用環(huán)境和notify()一樣，notifyAll()也要在synchronized修飾的同步方法/同步代碼塊中調(diào)用。
三個(gè)方法總結(jié)下來就是：
- 1.wait()方法，使線程阻塞，進(jìn)入等待狀態(tài)
- 2.notify()方法，喚醒處于等待的線程，如果有多個(gè)線程就隨機(jī)從中取一個(gè)
- 3.notifyAll()方法，喚醒所有處于等待的線程
2.1、wait/notify/notifyAll 使用介紹
通常wait()方法，一般與notify()或者notifyAll()搭配使用比較多。
下面我們看一個(gè)簡單的示例。
public class MyThreadA extends Thread{
private Object lock;
public MyThreadA(Object lock) {
this.lock = lock;
}
@Override
public void run() {
synchronized (lock){
System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 當(dāng)前線程：" + Thread.currentThread().getName() + " wait begin");
try {
// 進(jìn)入阻塞等待
lock.wait();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 當(dāng)前線程：" + Thread.currentThread().getName() + " wait end");
}
}
}public class MyThreadB extends Thread{
private Object lock;
public MyThreadB(Object lock) {
this.lock = lock;
}
@Override
public void run() {
synchronized (lock){
System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 當(dāng)前線程：" + Thread.currentThread().getName() + " notify begin");
// 喚醒其它等待線程
lock.notify();
System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 當(dāng)前線程：" + Thread.currentThread().getName() + " notify end");
}
}
}public class MyThreadTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Object lock = new Object();
MyThreadA threadA = new MyThreadA(lock);
threadA.start();
//過3秒再啟動(dòng)下一個(gè)線程
Thread.sleep(3000);
MyThreadB threadB = new MyThreadB(lock);
threadB.start();
}
}運(yùn)行服務(wù)，輸出結(jié)果如下：
2023-09-28 16:42:19 當(dāng)前線程：Thread-0 wait begin
2023-09-28 16:42:22 當(dāng)前線程：Thread-1 notify begin
2023-09-28 16:42:22 當(dāng)前線程：Thread-1 notify end
2023-09-28 16:42:22 當(dāng)前線程：Thread-0 wait end從日志上可以得出，threadA線程先啟動(dòng)，然后進(jìn)入阻塞狀態(tài)，過了 3 秒之后，再啟動(dòng)threadB線程，運(yùn)行結(jié)束之后，通知threadA線程可以獲取對(duì)象鎖，最后執(zhí)行完畢。
整個(gè)線程之間的協(xié)調(diào)和通信，大體就是這樣的。
假如我們把threadA線程數(shù)量增加到 5 個(gè)，再來看看運(yùn)行效果。
public class MyThreadTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Object lock = new Object();
// 創(chuàng)建5個(gè)wait線程
for (int i = 0; i < 5; i++) {
MyThreadA threadA = new MyThreadA(lock);
threadA.start();
}
//過3秒再啟動(dòng)下一個(gè)線程
Thread.sleep(3000);
MyThreadB threadB = new MyThreadB(lock);
threadB.start();
}
}運(yùn)行服務(wù)，輸出結(jié)果如下：
2023-09-28 17:02:05 當(dāng)前線程：Thread-0 wait begin
2023-09-28 17:02:05 當(dāng)前線程：Thread-4 wait begin
2023-09-28 17:02:05 當(dāng)前線程：Thread-3 wait begin
2023-09-28 17:02:05 當(dāng)前線程：Thread-2 wait begin
2023-09-28 17:02:05 當(dāng)前線程：Thread-1 wait begin
2023-09-28 17:02:08 當(dāng)前線程：Thread-5 notify begin
2023-09-28 17:02:08 當(dāng)前線程：Thread-5 notify end
2023-09-28 17:02:08 當(dāng)前線程：Thread-0 wait end從日志中，可以很清晰的看到，當(dāng)多個(gè)線程處于等待狀態(tài)時(shí)，調(diào)用notify()方法，只會(huì)喚醒其中一個(gè)等待的線程；同時(shí)服務(wù)無法關(guān)閉，因?yàn)槭Ｏ碌?4 個(gè)線程一直處于阻塞狀態(tài)。
假如我們把MyThreadB類中的lock.notify()方法改成lock.notifyAll()方法，再看看效果怎樣。
public class MyThreadB extends Thread{
private Object lock;
public MyThreadB(Object lock) {
this.lock = lock;
}
@Override
public void run() {
synchronized (lock){
System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 當(dāng)前線程：" + Thread.currentThread().getName() + " notify begin");
// 喚醒所有等待的線程
lock.notifyAll();
System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 當(dāng)前線程：" + Thread.currentThread().getName() + " notify end");
}
}
}運(yùn)行服務(wù)，輸出結(jié)果如下：
2023-09-28 17:18:13 當(dāng)前線程：Thread-0 wait begin
2023-09-28 17:18:13 當(dāng)前線程：Thread-4 wait begin
2023-09-28 17:18:13 當(dāng)前線程：Thread-3 wait begin
2023-09-28 17:18:13 當(dāng)前線程：Thread-2 wait begin
2023-09-28 17:18:13 當(dāng)前線程：Thread-1 wait begin
2023-09-28 17:18:16 當(dāng)前線程：Thread-5 notify begin
2023-09-28 17:18:16 當(dāng)前線程：Thread-5 notify end
2023-09-28 17:18:16 當(dāng)前線程：Thread-1 wait end
2023-09-28 17:18:16 當(dāng)前線程：Thread-2 wait end
2023-09-28 17:18:16 當(dāng)前線程：Thread-3 wait end
2023-09-28 17:18:16 當(dāng)前線程：Thread-4 wait end
2023-09-28 17:18:16 當(dāng)前線程：Thread-0 wait end從日志上可以很清晰的看到，3 秒后所有處于等待的線程都被喚醒，并且服務(wù)運(yùn)行結(jié)束。
2.2、wait 釋放鎖介紹
在多線程的編程中，任何時(shí)候都要關(guān)注鎖，因?yàn)樗鼘?duì)當(dāng)前代碼執(zhí)行是否安全，發(fā)揮了重要的作用。
在上面我們提到，調(diào)用wait()方法，除了讓線程進(jìn)入阻塞，進(jìn)入等待狀態(tài)以外，還會(huì)釋放鎖。
我們可以看一個(gè)簡單的示例就知道了。
public class MyThreadA1 extends Thread{
private Object lock;
public MyThreadA1(Object lock) {
this.lock = lock;
}
@Override
public void run() {
synchronized (lock){
System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 當(dāng)前線程：" + Thread.currentThread().getName() + " wait begin");
try {
// 進(jìn)入阻塞等待
lock.wait();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 當(dāng)前線程：" + Thread.currentThread().getName() + " wait end");
}
}
}public class MyThreadTest1 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Object lock = new Object();
// 創(chuàng)建兩個(gè)調(diào)用wait的線程
MyThreadA1 threadA1 = new MyThreadA1(lock);
threadA1.start();
MyThreadA1 threadA2 = new MyThreadA1(lock);
threadA2.start();
}
}運(yùn)行服務(wù)，輸出結(jié)果如下：
2023-09-28 17:31:56 當(dāng)前線程：Thread-0 wait begin
2023-09-28 17:31:56 當(dāng)前線程：Thread-1 wait begin從日志結(jié)果可以清晰的看出，兩個(gè)線程中其中一個(gè)調(diào)用lock.wait()之后，進(jìn)入了阻塞狀態(tài)，同時(shí)把對(duì)象鎖也釋放掉了，另一個(gè)線程拿到鎖并進(jìn)入同步代碼塊內(nèi)，所以看到兩個(gè)線程都打印了wait begin。
在Thread類中也有一個(gè)sleep()方法可以讓當(dāng)前線程阻塞，但是它們之間是有區(qū)別的，sleep()方法不會(huì)讓當(dāng)前線程釋放鎖。
我們可以看一個(gè)簡單的例子。
public class MyThreadA1 extends Thread{
private Object lock;
public MyThreadA1(Object lock) {
this.lock = lock;
}
@Override
public void run() {
synchronized (lock){
System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 當(dāng)前線程：" + Thread.currentThread().getName() + " sleep begin");
try {
// 進(jìn)入阻塞等待
Thread.sleep(100);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 當(dāng)前線程：" + Thread.currentThread().getName() + " sleep end");
}
}
}public class MyThreadTest1 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Object lock = new Object();
// 創(chuàng)建兩個(gè)調(diào)用sleep的線程
MyThreadA1 threadA1 = new MyThreadA1(lock);
threadA1.start();
MyThreadA1 threadA2 = new MyThreadA1(lock);
threadA2.start();
}
}運(yùn)行服務(wù)，輸出結(jié)果如下：
2023-09-28 17:55:20 當(dāng)前線程：Thread-0 sleep begin
2023-09-28 17:55:21 當(dāng)前線程：Thread-0 sleep end
2023-09-28 17:55:21 當(dāng)前線程：Thread-1 sleep begin
2023-09-28 17:55:21 當(dāng)前線程：Thread-1 sleep end從日志上看，線程沒有交替執(zhí)行，而是串性執(zhí)行。
2.3、notify/notifyAll 不釋放鎖介紹
于此對(duì)應(yīng)的還有notify()和notifyAll()， 調(diào)用notify()或者notifyAll()方法當(dāng)前線程是不會(huì)釋放鎖的，只有當(dāng)同步方法／同步代碼塊執(zhí)行完畢，才會(huì)釋放鎖。
同樣的，我們可以看一個(gè)簡單的示例。
public class MyThreadA2 extends Thread{
private Object lock;
public MyThreadA2(Object lock) {
this.lock = lock;
}
@Override
public void run() {
synchronized (lock){
System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 當(dāng)前線程：" + Thread.currentThread().getName() + " notify begin");
// 喚醒其它等待線程
lock.notify();
System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 當(dāng)前線程：" + Thread.currentThread().getName() + " notify end");
}
}
}public class MyThreadTest2 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Object lock = new Object();
// 創(chuàng)建兩個(gè)調(diào)用notify()的線程
MyThreadA2 threadA1 = new MyThreadA2(lock);
threadA1.start();
MyThreadA2 threadA2 = new MyThreadA2(lock);
threadA2.start();
}
}運(yùn)行服務(wù)，輸出結(jié)果如下：
2023-09-28 18:11:36 當(dāng)前線程：Thread-0 notify begin
2023-09-28 18:11:36 當(dāng)前線程：Thread-0 notify end
2023-09-28 18:11:36 當(dāng)前線程：Thread-1 notify begin
2023-09-28 18:11:36 當(dāng)前線程：Thread-1 notify end從日志結(jié)果可以清晰的看出，兩個(gè)線程沒有交替執(zhí)行，而是串行執(zhí)行。
2.4、IllegalMonitorStateException 異常介紹
雖然wait()、notify()、notifyAll()方法是在 Object 類中，理論上每個(gè)類都可以直接調(diào)用，但不是每個(gè)地方都可以隨便調(diào)用，如果調(diào)用這三個(gè)方法，不在同步方法/同步代碼塊中，程序運(yùn)行時(shí)會(huì)直接拋一次拋異常java.lang.IllegalMonitorStateException。
下面我們看一個(gè)簡單的示例就知道了。
public class MyThreadTest3 {
public static void main(String[] args) throws Exception {
Object lock = new Object();
lock.wait();
}
}運(yùn)行程序，直接拋異常。
Exception in thread "main" java.lang.IllegalMonitorStateException
at java.lang.Object.wait(Native Method)
at java.lang.Object.wait(Object.java:502)
at com.example.thread.e3.MyThreadTest3.main(MyThreadTest3.java:19)換成notify()、notifyAll()，運(yùn)行結(jié)果也是一樣。
三、小結(jié)
本文主要圍繞線程之間的協(xié)調(diào)和通信相關(guān)技術(shù)進(jìn)行一些知識(shí)總結(jié)，使用Object類中的wait()、notify()、notifyAll()方法，可以實(shí)現(xiàn)線程之間的協(xié)調(diào)和通信，但是它們只有在synchronized修飾的同步方法/同步代碼塊才會(huì)生效。如果不在同步方法/同步代碼塊調(diào)用，會(huì)拋java.lang.IllegalMonitorStateException異常。
文章內(nèi)容難免有所遺漏，歡迎網(wǎng)友留言指出！
四、參考
1、廖雪峰 - wait和notify介紹
2、五月的倉頡 - wait()和notify()/notifyAll()介紹
