Java 线程间通信：wait/notify机制详解
在多线程编程中，线程间的通信是确保程序正确性和效率的关键。Java 提供了多种机制来实现线程间的同步和通信，其中 wait/notify 是最基础也是最重要的机制之一。本文将围绕 Java 的 wait/notify 机制展开，深入探讨其原理、使用方法以及在实际开发中的应用。
一、
在多线程环境中，线程之间可能需要共享资源或者需要协调执行顺序。为了实现这些功能，Java 提供了 wait/notify/notifyAll 方法。这些方法允许一个线程在某个条件下暂停执行（wait），而另一个线程可以在条件满足时唤醒它（notify）。这种机制在处理生产者-消费者问题、线程池等场景中非常有用。
二、wait/notify 机制原理
在 Java 中，wait/notify 机制是基于对象锁（monitor）实现的。当一个线程调用对象的 wait 方法时，它会释放该对象的锁，并进入等待状态。当另一个线程调用该对象的 notify 或 notifyAll 方法时，等待的线程会从等待状态唤醒，并重新尝试获取该对象的锁。
以下是 wait/notify 机制的基本步骤：
1. 线程 A 调用对象 obj 的 wait 方法，释放 obj 的锁，进入等待状态。
2. 线程 B 调用 obj 的 notify 或 notifyAll 方法，唤醒线程 A。
3. 线程 A 被唤醒后，尝试重新获取 obj 的锁。
4. 如果线程 A 成功获取锁，则继续执行；否则，线程 A 继续等待。
三、wait/notify 方法
Java 中的 wait/notify 机制包含以下方法：
- `public final void wait()`：使当前线程等待，直到另一个线程调用该对象的 notify 或 notifyAll 方法。
- `public final void wait(long timeout)`：使当前线程等待，直到另一个线程调用该对象的 notify 或 notifyAll 方法，或者等待超时。
- `public final void wait(long timeout, int nanos)`：使当前线程等待，直到另一个线程调用该对象的 notify 或 notifyAll 方法，或者等待超时（以纳秒为单位）。
- `public final void notify()`：唤醒一个正在等待该对象监视器锁的线程。
- `public final void notifyAll()`：唤醒所有正在等待该对象监视器锁的线程。
四、使用 wait/notify 机制的注意事项
1. 必须使用 synchronized 关键字：wait/notify 方法只能在同步方法或同步块中使用，否则会抛出 `IllegalMonitorStateException` 异常。
2. 避免死锁：在使用 wait/notify 机制时，要确保线程能够正确地释放锁，避免死锁的发生。
3. 避免活锁：活锁是指线程在等待过程中不断被唤醒，但条件始终不满足，导致线程无法继续执行。要避免活锁，可以使用超时机制。
4. 使用条件变量：在复杂场景中，可以使用 `java.util.concurrent.locks.Condition` 接口提供的条件变量，它提供了更灵活的线程间通信机制。
五、示例代码
以下是一个使用 wait/notify 机制的生产者-消费者问题的示例代码：
java
class Data {
private int number;
private boolean flag = false;
public synchronized void produce() throws InterruptedException {
while (flag) {
this.wait();
}
number++;
System.out.println("生产者生产了：" + number);
flag = true;
this.notifyAll();
}
public synchronized void consume() throws InterruptedException {
while (!flag) {
this.wait();
}
System.out.println("消费者消费了：" + number);
number--;
flag = false;
this.notifyAll();
}
}
class Producer implements Runnable {
private Data data;
public Producer(Data data) {
this.data = data;
}
@Override
public void run() {
try {
while (true) {
data.produce();
Thread.sleep(1000);
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
class Consumer implements Runnable {
private Data data;
public Consumer(Data data) {
this.data = data;
}
@Override
public void run() {
try {
while (true) {
data.consume();
Thread.sleep(1000);
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
public class WaitNotifyExample {
public static void main(String[] args) {
Data data = new Data();
Thread producer = new Thread(new Producer(data));
Thread consumer = new Thread(new Consumer(data));
producer.start();
consumer.start();
}
}
六、总结
Java 的 wait/notify 机制是线程间通信的基础方法，它能够有效地实现线程间的同步和协作。在实际开发中，我们需要根据具体场景选择合适的同步机制，并注意避免死锁、活锁等问题。相信读者对 wait/notify 机制有了更深入的了解。
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