Java多线程基础-7：wait() 和 notify() 用法解析

一、为什么需要 wait() 和 notify() ？

举一个典型的例子：

这里，ATM机就看作是锁，而4位老哥就是竞争锁的4个线程。1号老哥在ATM机进进出出，并没有实质性地释放锁；但由于ATM机中始终没钱，1号老哥也取不了钱。1号老哥陷入忙等，其它老哥竞争不到ATM机（即竞争不到CPU资源），一直在阻塞，也什么事情都干不了。

这里就出现了一个问题：线程饿死。 有些同学可能疑惑，线程不是会有记账信息吗？记账信息不就可以解决问题吗？但实际上，线程的记账信息是一个比较宏观的东西，它需要多个线程多运行一段时间才能生成，而上面线程饿死时1号线程进进出出的情况是一瞬间的事情，因此记账信息也无法解决。

而使用 wait() 和 notify() 就可以有效解决上述问题。如果情况是这样的：

wait()：发现条件不满足或时机不成熟时，就先让1号线程先阻塞等待。

notify()： 当其它线程构造了一个成熟的条件时，就可以通知唤醒1号。1号被唤醒后，又可以参与锁的竞争了。

这也类似于篮球场上运动员的活动。每个运动员都是独立的 “执行流”，可以认为是一个 “线程”。而完成一个具体的进攻得分动作，则需要多个运动员相互配合，按照一定的顺序执行一定的动作：线 程1先 “传球”， 线程2才能 “扣篮”。要扣篮的运动员需要wait传球的运动员把球传过去，才能扣篮；而传球的运动员把球传过去这一操作就类似于notify；扣篮运动员拿到了球，就结束了wait，可以进行后续的操作即扣篮了。

二、方法用法解析

1、wait() 与 notify()

（1）wait() 的作用、结束等待的条件与使用条件

wait 做的事情：

• 释放当前的锁。

• 使当前执行代码的线程进入阻塞等待（把线程放到等待队列中）。

满足一定条件时（收到通知时）被唤醒，同时重新尝试获取这个锁。

wait 结束等待的条件：

1. 其他线程调用该对象的 notify 方法。

2. wait 等待时间超时 （wait 方法提供一个带有 timeout 参数的版本，来指定等待时间）。

3. 其他线程调用该等待线程的 interrupted 方法，导致 wait 抛出 InterruptedException 异常。

wait() 方法的官方文档解释如下：  

注意wait()的使用条件：wait() 必须搭配 synchronized 来使用，wait()必须写到synchronized代码块里面（notify 方法也必须在synchronized代码块中使用）。脱离 synchronized 使用 wait() 会直接抛出异常。如以下代码所示：

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object obj = new Object();
        System.out.println("wait之前：");
        obj.wait(); // 所有可能会引起线程阻塞等到的方法都会抛出 InterruptedException 受查异常
        System.out.println("wait之后：");
    }
}

这个代码中，直接调用了obj.wait()而没有加锁，运行后，抛出了 IllegalMonitorStateException（非法的锁状态异常）：

如果还没有获取到锁就尝试解锁，运行后就会抛出非法的锁状态异常。这里的代码抛出该异常正是这个原因：wait()方法内部有一步重要的操作：先解锁，再阻塞等待。

因此，在使用 wait() 前，必须先加锁，把wait()写到synchronized代码块内部。同时，Java也规定调用 notify() 也必须在synchronized代码块中。

并且，加锁的锁对象必须要与调用wait()的锁对象是同一个。如果加锁对象与调用wait()的对象不是同一个，也会抛出 IllegalMonitorStateException 异常。

synchronized (obj) {
    obj.wait(); 
}

（2）wait() 与 notify() 的使用示例

注意：在代码中使用wait()和notify()时，必须先执行wait()再执行notify()才有效。如果还没有wait()，就调用了notify()，此时就相当于一炮打空了。此时wait()的线程无法被唤醒，但代码也不会抛出其他异常（没有额外的副作用，但代码也不能正确执行）。

运行以下代码：分别创建了t1和t2两个线程，它们对同一个对象加锁，并且让t1线程中执行wait()，t2线程中执行notify()。先后启动t1和t2线程，观察结果：

public class Test2 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Object locker = new Object();
 
        Thread t1 = new Thread(() -> {
                try {
                    System.out.println("wait开始");
                    synchronized (locker) {
                        locker.wait();
                    }
                    System.out.println("wait结束");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
        });
 
        t1.start();
 
        Thread.sleep(1000); //保证t1先启动，wait()先执行
 
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            synchronized (locker) {
                System.out.println("notify开始");
                locker.notify();
                System.out.println("notify结束");
            }
        });
 
        t2.start();
    }
}

运行结果：

3）分析代码运行结果

在上述代码中，t1先执行。当t1执行到wait()时候，t1的锁被wait()释放，且t1自身进入阻塞等待状态。

1s后，t2获取到锁并开始执行。当t2执行到notify()时，就会通知t1线程唤醒。

注意，由于notify()是在synchronized的内部，因此只有等到t2释放了锁，t1才能再竞争到锁，并继续向下执行。因此，控制台上先输出“notify结束”，再输出“wait结束”。

在上述代码中，虽然t1是先执行的，但是可以通过wait()，notify()的控制让t2先执行一些逻辑；t2执行完之后，notify()唤醒t1（相当于传球操作），t1再继续向下执行（相当于扣篮操作）。这就体现了所谓“wait和notify让线程执行的顺序更加可控”。

而wait()的初心，正是为了实现阻塞的效果。只有某一个线程暂时进入阻塞了，线程之间的执行顺序才能发生变化。

并且，wait()阻塞等待会让线程进入 WAITING 状态。

（4）join() 与 wait() 的区别

这里也体现了 join() 与 wait() 作用效果上的一个区别。

join() 只能是让t2线程先执行完，再继续执行t1，此时t1与t2之间一定是串行的。而通过wait()和notify()，可以让t2执行完一部分，再让t1执行……t1执行一部分，再让t2执行……t2再执行一部分，再让t1执行……

（5）带参数的wait方法：wait(timeout)

wait() 方法存在一种重载的可以带参数方法。带参数的方法 wait(long timeout) 可以指定一个等待的超时时间timeout。如果线程的wait的时长大于等于超时时间timeout后还没有别的线程notify它，它就会自己唤醒自己。

（6）notifyAll() 唤醒等待同一对象的全部线程

唤醒操作还有一个notifyAll()。

可能有一种情况：有多个线程，wait着同一个对象。比如，在t1、t2、t3中都调用了object.wait()，此时如果在main中调用的是object.notify()，那么会随机唤醒上述的一个线程，而另外两个线程仍然处于waiting状态；如果是调用了object.notifyAll()，此时就会把上述三个线程都唤醒，然后这三个线程都会重新竞争锁，然后依次执行。

注意，仍然要等到t1、t2、t3的都wait()了再去notify()它们，不然又要“空打一炮”了。

三、wait() 与 sleep()、join() 的区别

1、wait() 和 sleep()

这两个方法最大的区别在于被设计出来的初心（即要解决的问题）不同。wait() 要解决的是线程之间的顺序控制问题，而sleep()只是单纯地让当前线程休眠一会儿。

正因如此，进一步地在使用上也有明显的区别，如wait()必须搭配锁来使用，而sleep()不需要。sleep() 是让程序暂停执行指定的时间并让出CPU给其它线程，当时间到了又会自动恢复运行状态；而wait()只有被唤醒之后，线程才会重新尝试获取锁，获取到了锁才能继续执行。

2、wait() 和join()

join()方法是让线程t1等待线程t2线程完全结束（完成其执行）再执行。它主要起同步的作用，使线程之间的执行从“并行”变成“串行”。也就是说，当我们在线程t1中调用了线程t2的join()方法时，线程执行过程发生改变：线程t1必须等待线程t2执行完毕后，才可以继续执行下去。

二者存在于不同的java包中（wait()方法在java.lang.Object中声明，而join()方法在java.lang.Thread中声明），wait()方法用于线程间通信（notify() 唤醒正在wait()的线程，这样的交互看成是一种通信），而join()方法用于在多个线程之间添加排序：第二个线程需要在第一个线程完全执行完成后才能开始执行。

此外，我们可以通过使用notify()或notifyAll()方法唤醒wait()，但是我们不能中途打破join()所施加的等待。

最后，wait()需要在synchronized代码块中使用，而join()不需要。

四、总结

1、wait() 和 notify() 方法都必须搭配 synchronized 和同一个锁对象，如果wait()和notify()作用于不同的锁对象，是没有任何作用的。

2、如果一个线程调用对象的notify()方法，但该线程并不处于wait的状态中，notify()不会产生作用（也没有副作用）。

3、如果有多个线程在wait()，notify()是只随机唤醒一个，而notifyAll()则是唤醒所有。