求求你，別再用Wait和Notify了！
Condition 是 JDK 1.5 中提供的用來替代 wait 和 notify 的線程通訊方法，那么一定會有人問：為什么不能用 wait 和 notify 了? 哥們我用的好好的。老弟別著急，聽我給你細說...
之所以推薦使用 Condition 而非 Object 中的 wait 和 notify 的原因有兩個：
- 使用 notify 在極端環境下會造成線程“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情況。
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，從而導致整個程序進入了阻塞的狀態不能繼續執行。
以多線程編程中的經典案例生產者和消費者模型為例，我們先來演示一下線程“假死”的問題。
1.1 正常版本
在演示線程“假死”的問題之前，我們先使用 wait 和 notify 來實現一個簡單的生產者和消費者模型，為了讓代碼更直觀，我這里寫一個超級簡單的實現版本。我們先來創建一個工廠類，工廠類里面包含兩個方法，一個是循環生產數據的(存入)方法，另一個是循環消費數據的(取出)方法，實現代碼如下。
- /**
- * 工廠類,消費者和生產者通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(為了演示方便,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之后喚醒
- 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() + " 開始工作");
- items[0] = 1; // 為了方便演示,設置固定值
- size++;
- System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 完成工作");
- // 當生產隊列有數據之后通知喚醒消費者
- 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("消費者工作~");
- size--;
- // 喚醒生產者可以添加生產了
- this.notify();
- } while (true);
- }
- }
接下來我們來創建兩個線程，一個是生產者調用 put 方法，另一個是消費者調用 take 方法，實現代碼如下：
- public class NotifyDemo {
- public static void main(String[] args) {
- // 創建工廠類
- 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();
- }
- }
執行結果如下：
從上述結果可以看出，生產者和消費者在循環交替的執行任務，場面非常和諧，是我們想要的正確結果。
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**將生產者增加到兩個時就會出現線程“假死”的問題了，**程序的實現代碼如下：
- public class NotifyDemo {
- public static void main(String[] args) {
- // 創建工廠方法（工廠類的代碼不變，這里不再復述）
- 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();
- }
- }
程序執行結果如下：
從以上結果可以看出，當我們將生產者的數量增加到 2 個時，就會造成線程“假死”阻塞執行的問題，當生產者 2 被喚醒又被阻塞之后，整個程序就不能繼續執行了。
線程“假死”問題分析
我們先把以上程序的執行步驟標注一下，得到如下結果：
從上圖可以看出：當執行到第 ④ 步時，此時生產者為工作狀態，而生產者 2 和消費者為等待狀態，此時正確的做法應該是喚醒消費著進行消費，然后消費者消費完之后再喚醒生產者繼續工作;但此時生產者卻錯誤的喚醒了生產者 2，而生產者 2 因為隊列已經滿了，所以自身并不具備繼續執行的能力，因此就導致了整個程序的阻塞，流程圖如下所示：
正確執行流程應該是這樣的：
1.3 使用 Condition
為了解決線程的“假死”問題，我們可以使用 Condition 來嘗試實現一下，Condition 是 JUC(java.util.concurrent)包下的類，需要使用 Lock 鎖來創建，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 類似，也是先獲得鎖然后在鎖中進行等待和喚醒操作，Condition 的基礎用法如下：
- // 創建 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.喚醒操作
- condition.signal();
- } catch (InterruptedException e) {
- e.printStackTrace();
- } finally {
- lock.unlock();
- }
小知識：Lock的正確使用姿勢
切記 Lock 的 lock.lock() 方法不能放入 try 代碼中，如果 lock 方法在 try 代碼塊之內，可能由于其它方法拋出異常，導致在 finally 代碼塊中， unlock 對未加鎖的對象解鎖，它會調用 AQS 的 tryRelease 方法(取決于具體實現類)，拋出 IllegalMonitorStateException 異常。
回歸主題
回到本文的主題，我們如果使用 Condition 來實現線程的通訊就可以避免程序的“假死”情況，因為 Condition 可以創建多個等待集，以本文的生產者和消費者模型為例，我們可以使用兩個等待集，一個用做消費者的等待和喚醒，另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情況了(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，它的執行流程如下圖所示：
了解了它的基本流程之后，咱們來看具體的實現代碼。
基于 Condition 的工廠實現代碼如下：
- class FactoryByCondition {
- private int[] items = new int[1]; // 數據存儲容器(為了演示方便,設置容量最多存儲 1 個元素)
- private int size = 0; // 實際存儲大小
- // 創建 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() + " 開始工作");
- items[0] = 1; // 為了方便演示,設置固定值
- size++;
- System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 完成工作");
- // 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("消費者工作~");
- 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如下：
- 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();
- }
- }
程序的執行結果如下圖所示：
從上述結果可以看出，當使用 Condition 時，生產者、消費者、生產者 2 會一直交替循環執行，執行結果符合我們的預期。
2.性能問題
在上面我們演示 notify 會造成線程的“假死”問題的時候，一定有朋友會想到，如果把 notify 換成 notifyAll 線程就不會“假死”了。
這樣做法確實可以解決線程“假死”的問題，但同時會到來新的性能問題，空說無憑，直接上代碼展示。
以下是使用 wait 和 notifyAll 改進后的代碼：
- /**
- * 工廠類,消費者和生產者通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(為了演示方便,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之后喚醒
- 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() + " 開始工作");
- items[0] = 1; // 為了方便演示,設置固定值
- size++;
- System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 完成工作");
- // 喚醒所有線程
- 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("消費者工作~");
- size--;
- // 喚醒所有線程
- this.notifyAll();
- } while (true);
- }
- }
依舊是兩個生產者加一個消費者，實現代碼如下：
- 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();
- }
執行的結果如下圖所示：
通過以上結果可以看出：當我們調用 notifyAll 時確實不會造成線程“假死”了，但會造成所有的生產者都被喚醒了，但因為待執行的任務只有一個，因此被喚醒的所有生產者中，只有一個會執行正確的工作，而另一個則是啥也不干，然后又進入等待狀態，這種行為對于整個程序來說，無疑是多此一舉，只會增加線程調度的開銷，從而導致整個程序的性能下降。
反觀 Condition 的 await 和 signal 方法，即使有多個生產者，程序也只會喚醒一個有效的生產者進行工作，如下圖所示：
生產者和生產者 2 依次會被交替的喚醒進行工作，所以這樣執行時并沒有任何多余的開銷，從而相比于 notifyAll 而言整個程序的性能會提升不少。
總結
本文我們通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 會造成程序“假死”的情況，另一個就是使用 notifyAll 會造成性能下降的問題，因此在進行線程通訊時，強烈建議使用 Condition 類來實現。
PS：有人可能會問為什么不用 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 可以實現此功能，為什么還要使用 signalAll 呢?這就好比在有暖氣的 25 度的房間里，穿一件短袖就可以了，為什么還要穿一件棉襖呢?
