深入解析線程的等待與喚醒機制，硬核干貨！
01、背景介紹
在之前的線程文章中，我們介紹了synchronized和volatile關鍵字，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)調和通信的問題。
舉個簡單的例子，比如線程 A 負責將 int 型變量 i 值累加操作到 10000，然后通知線程 B 負責把結果打印出來。
這個怎么實現呢？其中一個最簡單的辦法就是，線程 B 不斷的通過輪詢方式while(i == 10000)檢查是否滿足條件，這樣就可以實現了。
雖然這種方式可以實現需求，但是也帶來了另一個問題：線程 B 中的while()操作不會釋放 CPU 資源，會導致 CPU 一直在這個方法上做判斷操作，極大的浪費 CPU 資源。
我們知道 CPU 資源是非常非常昂貴的，因為使用 CPU 資源不只是當前一個應用程序，還有其它許許多多的應用程序。如果把這些輪詢的時間釋放出來，給別的線程使用，更能顯著提升應用程序的運行效率。比如，線程 A 操作完成之后，通知線程 B 進行后續(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，這樣是不是更好。
在 Java 的父類中，也就是Object類中，就有三個方法：wait()、notify()、notifyAll()，它們就可以實現線程之間的通信。
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！
02、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)行當前代碼的線程進入阻塞狀態(tài)，將當前線程置入"預執(zhí)行隊列"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。
不過有個前提，在調用wait()方法之前，線程必須獲得該對象的鎖，因此只能在synchronized修飾的同步方法/同步代碼塊中調用wait()方法；同時，wait()方法執(zhí)行后，會立即釋放獲得的對象鎖以便其它線程使用，當前線程被阻塞，進入等待狀態(tài)。
至于wait()為什么有阻塞的效果，其內部機制非常復雜，主要由 JVM 的 C 代碼實現，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，如果有多個線程等待，那么隨機挑選出一個等待的線程，對其發(fā)出通知notify()，并使它等待獲取該對象的對象鎖。
注意“等待獲取該對象的對象鎖”，這意味著即使收到了通知，等待的線程也不會馬上獲取對象鎖，必須等待notify()方法的線程釋放鎖才可以。
調用環(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()方法只會隨機的喚醒一個線程，而使用notifyAll()方法將一次性全部喚醒。
通常來說，notifyAll()方法更安全，因為當我們的代碼邏輯考慮不周的時候，使用notify()會導致只喚醒了一個線程，而其他線程可能永遠等待下去醒不過來了。
調用環(huán)境和notify()一樣，notifyAll()也要在synchronized修飾的同步方法/同步代碼塊中調用。
三個方法總結下來就是：
- 1.wait()方法，使線程阻塞，進入等待狀態(tài)
- 2.notify()方法，喚醒處于等待的線程，如果有多個線程就隨機從中取一個
- 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()) + " 當前線程：" + Thread.currentThread().getName() + " wait begin");
try {
// 進入阻塞等待
lock.wait();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 當前線程：" + 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秒再啟動下一個線程
Thread.sleep(3000);
MyThreadB threadB = new MyThreadB(lock);
threadB.start();
}
}運行服務，輸出結果如下：
2023-09-28 16:42:19 當前線程：Thread-0 wait begin
2023-09-28 16:42:22 當前線程：Thread-1 notify begin
2023-09-28 16:42:22 當前線程：Thread-1 notify end
2023-09-28 16:42:22 當前線程：Thread-0 wait end從日志上可以得出，threadA線程先啟動，然后進入阻塞狀態(tài)，過了 3 秒之后，再啟動threadB線程，運行結束之后，通知threadA線程可以獲取對象鎖，最后執(zhí)行完畢。
整個線程之間的協(xié)調和通信，大體就是這樣的。
假如我們把threadA線程數量增加到 5 個，再來看看運行效果。
public class MyThreadTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Object lock = new Object();
// 創(chuàng)建5個wait線程
for (int i = 0; i < 5; i++) {
MyThreadA threadA = new MyThreadA(lock);
threadA.start();
}
//過3秒再啟動下一個線程
Thread.sleep(3000);
MyThreadB threadB = new MyThreadB(lock);
threadB.start();
}
}運行服務，輸出結果如下：
2023-09-28 17:02:05 當前線程：Thread-0 wait begin
2023-09-28 17:02:05 當前線程：Thread-4 wait begin
2023-09-28 17:02:05 當前線程：Thread-3 wait begin
2023-09-28 17:02:05 當前線程：Thread-2 wait begin
2023-09-28 17:02:05 當前線程：Thread-1 wait begin
2023-09-28 17:02:08 當前線程：Thread-5 notify begin
2023-09-28 17:02:08 當前線程：Thread-5 notify end
2023-09-28 17:02:08 當前線程：Thread-0 wait end從日志中，可以很清晰的看到，當多個線程處于等待狀態(tài)時，調用notify()方法，只會喚醒其中一個等待的線程；同時服務無法關閉，因為剩下的 4 個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()) + " 當前線程：" + Thread.currentThread().getName() + " notify end");
}
}
}運行服務，輸出結果如下：
2023-09-28 17:18:13 當前線程：Thread-0 wait begin
2023-09-28 17:18:13 當前線程：Thread-4 wait begin
2023-09-28 17:18:13 當前線程：Thread-3 wait begin
2023-09-28 17:18:13 當前線程：Thread-2 wait begin
2023-09-28 17:18:13 當前線程：Thread-1 wait begin
2023-09-28 17:18:16 當前線程：Thread-5 notify begin
2023-09-28 17:18:16 當前線程：Thread-5 notify end
2023-09-28 17:18:16 當前線程：Thread-1 wait end
2023-09-28 17:18:16 當前線程：Thread-2 wait end
2023-09-28 17:18:16 當前線程：Thread-3 wait end
2023-09-28 17:18:16 當前線程：Thread-4 wait end
2023-09-28 17:18:16 當前線程：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，并且服務運行結束。
2.2、wait 釋放鎖介紹
在多線程的編程中，任何時候都要關注鎖，因為它對當前代碼執(zhí)行是否安全，發(fā)揮了重要的作用。
在上面我們提到，調用wait()方法，除了讓線程進入阻塞，進入等待狀態(tài)以外，還會釋放鎖。
我們可以看一個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()) + " 當前線程：" + Thread.currentThread().getName() + " wait begin");
try {
// 進入阻塞等待
lock.wait();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 當前線程：" + Thread.currentThread().getName() + " wait end");
}
}
}public class MyThreadTest1 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Object lock = new Object();
// 創(chuàng)建兩個調用wait的線程
MyThreadA1 threadA1 = new MyThreadA1(lock);
threadA1.start();
MyThreadA1 threadA2 = new MyThreadA1(lock);
threadA2.start();
}
}運行服務，輸出結果如下：
2023-09-28 17:31:56 當前線程：Thread-0 wait begin
2023-09-28 17:31:56 當前線程：Thread-1 wait begin從日志結果可以清晰的看出，兩個線程中其中一個調用lock.wait()之后，進入了阻塞狀態(tài)，同時把對象鎖也釋放掉了，另一個線程拿到鎖并進入同步代碼塊內，所以看到兩個線程都打印了wait begin。
在Thread類中也有一個sleep()方法可以讓當前線程阻塞，但是它們之間是有區(qū)別的，sleep()方法不會讓當前線程釋放鎖。
我們可以看一個簡單的例子。
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()) + " 當前線程：" + Thread.currentThread().getName() + " sleep begin");
try {
// 進入阻塞等待
Thread.sleep(100);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(DateUtil.format(new Date()) + " 當前線程：" + Thread.currentThread().getName() + " sleep end");
}
}
}public class MyThreadTest1 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Object lock = new Object();
// 創(chuàng)建兩個調用sleep的線程
MyThreadA1 threadA1 = new MyThreadA1(lock);
threadA1.start();
MyThreadA1 threadA2 = new MyThreadA1(lock);
threadA2.start();
}
}運行服務，輸出結果如下：
2023-09-28 17:55:20 當前線程：Thread-0 sleep begin
2023-09-28 17:55:21 當前線程：Thread-0 sleep end
2023-09-28 17:55:21 當前線程：Thread-1 sleep begin
2023-09-28 17:55:21 當前線程：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
于此對應的還有notify()和notifyAll()， 調用notify()或者notifyAll()方法當前線程是不會釋放鎖的，只有當同步方法／同步代碼塊執(zhí)行完畢，才會釋放鎖。
同樣的，我們可以看一個簡單的示例。
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)建兩個調用notify()的線程
MyThreadA2 threadA1 = new MyThreadA2(lock);
threadA1.start();
MyThreadA2 threadA2 = new MyThreadA2(lock);
threadA2.start();
}
}運行服務，輸出結果如下：
2023-09-28 18:11:36 當前線程：Thread-0 notify begin
2023-09-28 18:11:36 當前線程：Thread-0 notify end
2023-09-28 18:11:36 當前線程：Thread-1 notify begin
2023-09-28 18:11:36 當前線程：Thread-1 notify end從日志結果可以清晰的看出，兩個線程沒有交替執(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，理論上每個類都可以直接調用，但不是每個地方都可以隨便調用，如果調用這三個方法，不在同步方法/同步代碼塊中，程序運行時會直接拋一次拋異常java.lang.IllegalMonitorStateException。
下面我們看一個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()，運行結果也是一樣。
03、小結
本文主要圍繞線程之間的協(xié)調和通信相關技術進行一些知識總結，使用Object類中的wait()、notify()、notifyAll()方法，可以實現線程之間的協(xié)調和通信，但是它們只有在synchronized修飾的同步方法/同步代碼塊才會生效。如果不在同步方法/同步代碼塊調用，會拋java.lang.IllegalMonitorStateException異常。
