求求你，別再用wait和notify了！

時間 2021-06-04

標籤 java git github 編程多線程性能 this spa 線程 3d 欄目 Java 简体版

原文原文鏈接

Condition 是 JDK 1.5 中提供的用來替代 wait 和 notify 的線程通信方法，那麼必定會有人問：爲何不能用 wait 和 notify 了？ 哥們我用的好好的。老弟彆着急，聽我給你細說...java

之因此推薦使用 Condition 而非 Object 中的 wait 和 notify 的緣由有兩個：git

使用 notify 在極端環境下會形成線程「假死」；
Condition 性能更高。

接下來怎們就用代碼和流程圖的方式來演示上述的兩種狀況。github

1.notify 線程「假死」

所謂的線程「假死」是指，在使用 notify 喚醒多個等待的線程時，卻意外的喚醒了一個沒有「準備好」的線程，從而致使整個程序進入了阻塞的狀態不能繼續執行。編程

以多線程編程中的經典案例生產者和消費者模型爲例，咱們先來演示一下線程「假死」的問題。多線程

1.1 正常版本

在演示線程「假死」的問題以前，咱們先使用 wait 和 notify 來實現一個簡單的生產者和消費者模型，爲了讓代碼更直觀，我這裏寫一個超級簡單的實現版本。咱們先來建立一個工廠類，工廠類裏面包含兩個方法，一個是循環生產數據的（存入）方法，另外一個是循環消費數據的（取出）方法，實現代碼以下。性能

/**
 * 工廠類,消費者和生產者經過調用工廠類實現生產/消費
 */
class Factory {
    private int[] items = new int[1]; // 數據存儲容器(爲了演示方便,設置容量最多存儲 1 個元素)
    private int size = 0;             // 實際存儲大小

    /**
     * 生產方法
     */
    public synchronized void put() throws InterruptedException {
        // 循環生產數據
        do {
            while (size == items.length) { // 注意不能是 if 判斷
                // 存儲的容量已經滿了,阻塞等待消費者消費以後喚醒
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 進入阻塞");
                this.wait();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被喚醒");
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 開始工做");
            items[0] = 1; // 爲了方便演示,設置固定值
            size++;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 完成工做");
            // 當生產隊列有數據以後通知喚醒消費者
            this.notify();

        } while (true);
    }

    /**
     * 消費方法
     */
    public synchronized void take() throws InterruptedException {
        // 循環消費數據
        do {
            while (size == 0) {
                // 生產者沒有數據,阻塞等待
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 進入阻塞(消費者)");
                this.wait();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被喚醒(消費者)");
            }
            System.out.println("消費者工做~");
            size--;
            // 喚醒生產者能夠添加生產了
            this.notify();
        } while (true);
    }
}

接下來咱們來建立兩個線程，一個是生產者調用 put 方法，另外一個是消費者調用 take 方法，實現代碼以下：this

public class NotifyDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 建立工廠類
        Factory factory = new Factory();

        // 生產者
        Thread producer = new Thread(() -> {
            try {
                factory.put();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "生產者");
        producer.start();

        // 消費者
        Thread consumer = new Thread(() -> {
            try {
                factory.take();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "消費者");
        consumer.start();
    }
}

執行結果以下：

從上述結果能夠看出，生產者和消費者在循環交替的執行任務，場面很是和諧，是咱們想要的正確結果。spa

1.2 線程「假死」版本

當只有一個生產者和一個消費者時，wait 和 notify 方法不會有任何問題，然而將生產者增長到兩個時就會出現線程「假死」的問題了，程序的實現代碼以下：線程

public class NotifyDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 建立工廠方法（工廠類的代碼不變，這裏再也不復述）
        Factory factory = new Factory();

        // 生產者
        Thread producer = new Thread(() -> {
            try {
                factory.put();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "生產者");
        producer.start();

        // 生產者 2
        Thread producer2 = new Thread(() -> {
            try {
                factory.put();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "生產者2");
        producer2.start();
        
        // 消費者
        Thread consumer = new Thread(() -> {
            try {
                factory.take();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "消費者");
        consumer.start();
    }
}

程序執行結果以下：

從以上結果能夠看出，當咱們將生產者的數量增長到 2 個時，就會形成線程「假死」阻塞執行的問題，當生產者 2 被喚醒又被阻塞以後，整個程序就不能繼續執行了。3d

線程「假死」問題分析

咱們先把以上程序的執行步驟標註一下，獲得以下結果：

從上圖能夠看出：當執行到第 ④ 步時，此時生產者爲工做狀態，而生產者 2 和消費者爲等待狀態，此時正確的作法應該是喚醒消費着進行消費，而後消費者消費完以後再喚醒生產者繼續工做；但此時生產者卻錯誤的喚醒了生產者 2，而生產者 2 由於隊列已經滿了，因此自身並不具有繼續執行的能力，所以就致使了整個程序的阻塞，流程圖以下所示：

正確執行流程應該是這樣的：

1.3 使用 Condition

爲了解決線程的「假死」問題，咱們可使用 Condition 來嘗試實現一下，Condition 是 JUC（java.util.concurrent）包下的類，須要使用 Lock 鎖來建立，Condition 提供了 3 個重要的方法：

await：對應 wait 方法；
signal：對應 notify 方法；
signalAll： notifyAll 方法。

Condition 的使用和 wait/notify 相似，也是先得到鎖而後在鎖中進行等待和喚醒操做，Condition 的基礎用法以下：

// 建立 Condition 對象
Lock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();
// 加鎖
lock.lock();
try {
    // 業務方法....
    
    // 1.進入等待狀態
    condition.await();

    // 2.喚醒操做
    condition.signal();
} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
} finally {
    lock.unlock();
}

小知識：Lock的正確使用姿式

切記 Lock 的 lock.lock() 方法不能放入 try 代碼中，若是 lock 方法在 try 代碼塊以內，可能因爲其它方法拋出異常，致使在 finally 代碼塊中， unlock 對未加鎖的對象解鎖，它會調用 AQS 的 tryRelease 方法（取決於具體實現類），拋出 IllegalMonitorStateException 異常。

迴歸主題

回到本文的主題，咱們若是使用 Condition 來實現線程的通信就能夠避免程序的「假死」狀況，由於 Condition 能夠建立多個等待集，以本文的生產者和消費者模型爲例，咱們可使用兩個等待集，一個用作消費者的等待和喚醒，另外一個用來喚醒生產者，這樣就不會出現生產者喚醒生產者的狀況了（生產者只能喚醒消費者，消費者只能喚醒生產者）這樣整個流程就不會「假死」了，它的執行流程以下圖所示：

瞭解了它的基本流程以後，我們來看具體的實現代碼。

基於 Condition 的工廠實現代碼以下：

class FactoryByCondition {
    private int[] items = new int[1]; // 數據存儲容器(爲了演示方便,設置容量最多存儲 1 個元素)
    private int size = 0;             // 實際存儲大小
    // 建立 Condition 對象
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    // 生產者的 Condition 對象
    private Condition producerCondition = lock.newCondition();
    // 消費者的 Condition 對象
    private Condition consumerCondition = lock.newCondition();

    /**
     * 生產方法
     */
    public void put() throws InterruptedException {
        // 循環生產數據
        do {
            lock.lock();
            while (size == items.length) { // 注意不能是 if 判斷
                // 生產者進入等待
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 進入阻塞");
                producerCondition.await();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被喚醒");
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 開始工做");
            items[0] = 1; // 爲了方便演示,設置固定值
            size++;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 完成工做");
            // 喚醒消費者
            consumerCondition.signal();
            try {
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        } while (true);
    }

    /**
     * 消費方法
     */
    public void take() throws InterruptedException {
        // 循環消費數據
        do {
            lock.lock();
            while (size == 0) {
                // 消費者阻塞等待
                consumerCondition.await();
            }
            System.out.println("消費者工做~");
            size--;
            // 喚醒生產者
            producerCondition.signal();
            try {
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        } while (true);
    }
}

兩個生產者和一個消費者的實現代碼以下：

public class NotifyDemo {
    public static void main(String[] args) {
        FactoryByCondition factory = new FactoryByCondition();

        // 生產者
        Thread producer = new Thread(() -> {
            try {
                factory.put();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "生產者");
        producer.start();

        // 生產者 2
        Thread producer2 = new Thread(() -> {
            try {
                factory.put();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "生產者2");
        producer2.start();

        // 消費者
        Thread consumer = new Thread(() -> {
            try {
                factory.take();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "消費者");
        consumer.start();
    }
}

程序的執行結果以下圖所示：

從上述結果能夠看出，當使用 Condition 時，生產者、消費者、生產者 2 會一直交替循環執行，執行結果符合咱們的預期。

2.性能問題

在上面咱們演示 notify 會形成線程的「假死」問題的時候，必定有朋友會想到，若是把 notify 換成 notifyAll 線程就不會「假死」了。

這樣作法確實能夠解決線程「假死」的問題，但同時會到來新的性能問題，空說無憑，直接上代碼展現。

如下是使用 wait 和 notifyAll 改進後的代碼：

/**
 * 工廠類,消費者和生產者經過調用工廠類實現生產/消費功能.
 */
class Factory {
    private int[] items = new int[1];   // 數據存儲容器(爲了演示方便,設置容量最多存儲 1 個元素)
    private int size = 0;               // 實際存儲大小

    /**
     * 生產方法
     * @throws InterruptedException
     */
    public synchronized void put() throws InterruptedException {
        // 循環生產數據
        do {
            while (size == items.length) { // 注意不能是 if 判斷
                // 存儲的容量已經滿了,阻塞等待消費者消費以後喚醒
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 進入阻塞");
                this.wait();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被喚醒");
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 開始工做");
            items[0] = 1; // 爲了方便演示,設置固定值
            size++;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 完成工做");
            // 喚醒全部線程
            this.notifyAll();
        } while (true);
    }

    /**
     * 消費方法
     * @throws InterruptedException
     */
    public synchronized void take() throws InterruptedException {
        // 循環消費數據
        do {
            while (size == 0) {
                // 生產者沒有數據,阻塞等待
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 進入阻塞(消費者)");
                this.wait();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被喚醒(消費者)");
            }
            System.out.println("消費者工做~");
            size--;
            // 喚醒全部線程
            this.notifyAll();
        } while (true);
    }
}

依舊是兩個生產者加一個消費者，實現代碼以下：

public static void main(String[] args) {
    Factory factory = new Factory();
    // 生產者
    Thread producer = new Thread(() -> {
        try {
            factory.put();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }, "生產者");
    producer.start();

    // 生產者 2
    Thread producer2 = new Thread(() -> {
        try {
            factory.put();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }, "生產者2");
    producer2.start();

    // 消費者
    Thread consumer = new Thread(() -> {
        try {
            factory.take();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }, "消費者");
    consumer.start();
}

執行的結果以下圖所示：

經過以上結果能夠看出：當咱們調用 notifyAll 時確實不會形成線程「假死」了，但會形成全部的生產者都被喚醒了，但由於待執行的任務只有一個，所以被喚醒的全部生產者中，只有一個會執行正確的工做，而另外一個則是啥也不幹，而後又進入等待狀態，這就行爲對於整個程序來講，無疑是畫蛇添足，只會增長線程調度的開銷，從而致使整個程序的性能降低。

反觀 Condition 的 await 和 signal 方法，即便有多個生產者，程序也只會喚醒一個有效的生產者進行工做，以下圖所示：

生產者和生產者 2 依次會被交替的喚醒進行工做，因此這樣執行時並無任何多餘的開銷，從而相比於 notifyAll 而言整個程序的性能會提高很多。

總結

本文咱們經過代碼和流程圖的方式演示了 wait 方法和 notify/notifyAll 方法的使用缺陷，它的缺陷主要有兩個，一個是在極端環境下使用 notify 會形成程序「假死」的狀況，另外一個就是使用 notifyAll 會形成性能降低的問題，所以在進行線程通信時，強烈建議使用 Condition 類來實現。

PS：有人可能會問爲何不用 Condition 的 signalAll 和 notifyAll 進行性能對比？而使用 signal 和 notifyAll 進行對比？我只想說，既然使用 signal 能夠實現此功能，爲何還要使用 signalAll 呢？這就比如在有暖氣的 25 度的房間裏，穿一件短袖就能夠了，爲何還要穿一件棉襖呢？