在Java程序中,synchronized解决了多线程竞争的问题。例如,对于一个任务管理器,多个线程同时往队列中添加任务,可以用synchronized加锁:
class TaskQueue {
Queue<String> queue = new LinkedList<>(); public synchronized void addTask(String s) { this.queue.add(s);
}
}但是synchronized并没有解决多线程协调的问题。
仍然以上面的TaskQueue为例,我们再编写一个getTask()方法取出队列的第一个任务:
class TaskQueue {
Queue<String> queue = new LinkedList<>(); public synchronized void addTask(String s) { this.queue.add(s);
} public synchronized String getTask() { while (queue.isEmpty()) {
} return queue.remove();
}
}上述代码看上去没有问题:getTask()内部先判断队列是否为空,如果为空,就循环等待,直到另一个线程往队列中放入了一个任务,while()循环退出,就可以返回队列的元素了。
但实际上while()循环永远不会退出。因为线程在执行while()循环时,已经在getTask()入口获取了this锁,其他线程根本无法调用addTask(),因为addTask()执行条件也是获取this锁。
因此,执行上述代码,线程会在getTask()中因为死循环而100%占用CPU资源。
如果深入思考一下,我们想要的执行效果是:
线程1可以调用
addTask()不断往队列中添加任务;线程2可以调用
getTask()从队列中获取任务。如果队列为空,则getTask()应该等待,直到队列中至少有一个任务时再返回。
因此,多线程协调运行的原则就是:当条件不满足时,线程进入等待状态;当条件满足时,线程被唤醒,继续执行任务。
对于上述TaskQueue,我们先改造getTask()方法,在条件不满足时,线程进入等待状态:
public synchronized String getTask() { while (queue.isEmpty()) { this.wait();
} return queue.remove();
}当一个线程执行到getTask()方法内部的while循环时,它必定已经获取到了this锁,此时,线程执行while条件判断,如果条件成立(队列为空),线程将执行this.wait(),进入等待状态。
这里的关键是:wait()方法必须在当前获取的锁对象上调用,这里获取的是this锁,因此调用this.wait()。
调用wait()方法后,线程进入等待状态,wait()方法不会返回,直到将来某个时刻,线程从等待状态被其他线程唤醒后,wait()方法才会返回,然后,继续执行下一条语句。
有些仔细的童鞋会指出:即使线程在getTask()内部等待,其他线程如果拿不到this锁,照样无法执行addTask(),肿么办?
这个问题的关键就在于wait()方法的执行机制非常复杂。首先,它不是一个普通的Java方法,而是定义在Object类的一个native方法,也就是由JVM的C代码实现的。其次,必须在synchronized块中才能调用wait()方法,因为wait()方法调用时,会释放线程获得的锁,wait()方法返回后,线程又会重新试图获得锁。
因此,只能在锁对象上调用wait()方法。因为在getTask()中,我们获得了this锁,因此,只能在this对象上调用wait()方法:
public synchronized String getTask() { while (queue.isEmpty()) { // 释放this锁:
this.wait(); // 重新获取this锁
} return queue.remove();
}当一个线程在this.wait()等待时,它就会释放this锁,从而使得其他线程能够在addTask()方法获得this锁。
现在我们面临第二个问题:如何让等待的线程被重新唤醒,然后从wait()方法返回?答案是在相同的锁对象上调用notify()方法。我们修改addTask()如下:
public synchronized void addTask(String s) { this.queue.add(s); this.notify(); // 唤醒在this锁等待的线程}注意到在往队列中添加了任务后,线程立刻对this锁对象调用notify()方法,这个方法会唤醒一个正在this锁等待的线程(就是在getTask()中位于this.wait()的线程),从而使得等待线程从this.wait()方法返回。
我们来看一个完整的例子:
import java.util.*;
public class Main {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
var q = new TaskQueue();
var ts = new ArrayList<Thread>();
for (int i=0; i<5; i++) {
var t = new Thread() {
public void run() {
// 执行task:
while (true) {
try {
String s = q.getTask();
System.out.println("execute task: " + s);
} catch (InterruptedException e) {
return;
}
}
}
};
t.start();
ts.add(t);
}
var add = new Thread(() -> {
for (int i=0; i<10; i++) {
// 放入task:
String s = "t-" + Math.random();
System.out.println("add task: " + s);
q.addTask(s);
try { Thread.sleep(100); } catch(InterruptedException e) {}
}
});
add.start();
add.join();
Thread.sleep(100);
for (var t : ts) {
t.interrupt();
}
}
}
class TaskQueue {
Queue<String> queue = new LinkedList<>();
public synchronized void addTask(String s) {
this.queue.add(s);
this.notifyAll();
}
public synchronized String getTask() throws InterruptedException {
while (queue.isEmpty()) {
this.wait();
}
return queue.remove();
}
}