只会用wait和notify？30分钟案例告诉你有更好得选择

Condition 是 JDK 1.5 中提供的用来替代 wait 和 notify 的线程通讯方法，那么一定会有人问：为什么不能用 wait 和 notify 了？ 哥们我用的好好的。老弟别着急，听我给你细说...

之所以推荐使用 Condition 而非 Object 中的 wait 和 notify 的原因有两个：

1、使用 notify 在极端环境下会造成线程“假死”；

2、Condition 性能更高。

接下来咱们就用代码和流程图的方式来演示上述的两种情况。

文章首发公众号：Java架构师联盟，每日更新技术好文

1.notify 线程“假死”

所谓的线程“假死”是指，在使用 notify 唤醒多个等待的线程时，却意外的唤醒了一个没有“准备好”的线程，从而导致整个程序进入了阻塞的状态不能继续执行。

以多线程编程中的经典案例生产者和消费者模型为例，我们先来演示一下线程“假死”的问题。

1.1 正常版本

在演示线程“假死”的问题之前，我们先使用 wait 和 notify 来实现一个简单的生产者和消费者模型，为了让代码更直观，我这里写一个超级简单的实现版本。我们先来创建一个工厂类，工厂类里面包含两个方法，一个是循环生产数据的（存入）方法，另一个是循环消费数据的（取出）方法，实现代码如下。

package com.test.notify;

/**
 * @author ：biws
 * @date ：Created in 2020/12/17 22:11
 * @description：工厂类,消费者和生产者通过调用工厂类实现生产/消费
 */
public class Factory {

        private int[] items = new int[1]; // 数据存储容器(为了演示方便,设置容量最多存储 1 个元素)
        private int size = 0;             // 实际存储大小

        /**
         * 生产方法
         */
        public synchronized void put() throws InterruptedException {
            // 循环生产数据
            do {
                while (size == items.length) { // 注意不能是 if 判断
                    // 存储的容量已经满了,阻塞等待消费者消费之后唤醒
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进入阻塞");
                    this.wait();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被唤醒");
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 开始工作");
                items[0] = 1; // 为了方便演示,设置固定值
                size++;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 完成工作");
                // 当生产队列有数据之后通知唤醒消费者
                this.notify();

            } while (true);
        }

        /**
         * 消费方法
         */
        public synchronized void take() throws InterruptedException {
            // 循环消费数据
            do {
                while (size == 0) {
                    // 生产者没有数据,阻塞等待
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进入阻塞(消费者)");
                    this.wait();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被唤醒(消费者)");
                }
                System.out.println("消费者工作~");
                size--;
                // 唤醒生产者可以添加生产了
                this.notify();
            } while (true);
        }
    }

接下来我们来创建两个线程，一个是生产者调用 put 方法，另一个是消费者调用 take 方法，实现代码如下：

package com.test.notify;

/**
 * @author ：biws
 * @date ：Created in 2020/12/17 22:12
 * @description：测试线程正常版本
 */
public class NotifyDemo {

        public static void main(String[] args) {
            // 创建工厂类
            Factory factory = new Factory();

            // 生产者
            Thread producer = new Thread(() -> {
                try {
                    factory.put();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }, "生产者");
            producer.start();

            // 消费者
            Thread consumer = new Thread(() -> {
                try {
                    factory.take();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }, "消费者");
            consumer.start();
        }
    }

执行结果如下：

从上述结果可以看出，生产者和消费者在循环交替的执行任务，场面非常和谐，是我们想要的正确结果。

1.2 线程“假死”版本

当只有一个生产者和一个消费者时，wait 和 notify 方法不会有任何问题，然而将生产者增加到两个时就会出现线程“假死”的问题了，程序的实现代码如下：

package com.test.notify;

/**
 * @author ：biws
 * @date ：Created in 2020/12/17 22:15
 * @description：线程假死问题
 * 当创建两个生产者得时候会出现什么情况？
 */
public class NotifyDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建工厂方法（工厂类的代码不变，这里不再复述）
        Factory factory = new Factory();

        // 生产者
        Thread producer = new Thread(() -> {
            try {
                factory.put();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "生产者");
        producer.start();

        // 生产者 2
        Thread producer2 = new Thread(() -> {
            try {
                factory.put();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "生产者2");
        producer2.start();

        // 消费者
        Thread consumer = new Thread(() -> {
            try {
                factory.take();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "消费者");
        consumer.start();
    }
}

程序执行结果如下：

从以上结果可以看出，当我们将生产者的数量增加到 2 个时，就会造成线程“假死”阻塞执行的问题，当生产者 2 被唤醒又被阻塞之后，整个程序就不能继续执行了。

线程“假死”问题分析

我们先把以上程序的执行步骤标注一下，得到如下结果：

从上图可以看出：

当执行到第 ④ 步时，此时生产者为工作状态，而生产者 2 和消费者为等待状态

此时正确的做法应该是唤醒消费者进行消费，然后消费者消费完之后再唤醒生产者继续工作；

但此时生产者却错误的唤醒了生产者 2，而生产者 2 因为队列已经满了，所以自身并不具备继续执行的能力，因此就导致了整个程序的阻塞，流程图如下所示：

正确执行流程应该是这样的：

1.3 使用 Condition

为了解决线程的“假死”问题，我们可以使用 Condition 来尝试实现一下，Condition 是 JUC（java.util.concurrent）包下的类，需要使用 Lock 锁来创建，Condition 提供了 3 个重要的方法：

  • await：对应 wait 方法；
  • signal：对应 notify 方法；
  • signalAll： notifyAll 方法。

因为 Condition 可以创建多个等待集，以本文的生产者和消费者模型为例，我们可以使用两个等待集，一个用作消费者的等待和唤醒，另一个用来唤醒生产者，这样就不会出现生产者唤醒生产者的情况了（生产者只能唤醒消费者，消费者只能唤醒生产者）这样整个流程就不会“假死”了，它的执行流程如下图所示：

了解了它的基本流程之后，咱们来看具体的实现代码。

package com.test.notify;

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * @author ：biws
 * @date ：Created in 2020/12/17 22:27
 * @description：基于Condition得工厂实现
 */
public class FactoryByCondition {
    private int[] items = new int[1]; // 数据存储容器(为了演示方便,设置容量最多存储 1 个元素)
    private int size = 0;             // 实际存储大小
    // 创建 Condition 对象
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    // 生产者的 Condition 对象
    private Condition producerCondition = lock.newCondition();
    // 消费者的 Condition 对象
    private Condition consumerCondition = lock.newCondition();

    /**
     * 生产方法
     */
    public void put() throws InterruptedException {
        // 循环生产数据
        do {
            lock.lock();
            while (size == items.length) { // 注意不能是 if 判断
                // 生产者进入等待
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进入阻塞");
                producerCondition.await();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被唤醒");
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 开始工作");
            items[0] = 1; // 为了方便演示,设置固定值
            size++;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 完成工作");
            // 唤醒消费者
            consumerCondition.signal();
            try {
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        } while (true);
    }

    /**
     * 消费方法
     */
    public void take() throws InterruptedException {
        // 循环消费数据
        do {
            lock.lock();
            while (size == 0) {
                // 消费者阻塞等待
                consumerCondition.await();
            }
            System.out.println("消费者工作~");
            size--;
            // 唤醒生产者
            producerCondition.signal();
            try {
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        } while (true);
    }
}

两个生产者和一个消费者的实现代码如下：

package com.test.notify;

/**
 * @author ：biws
 * @date ：Created in 2020/12/17 22:30
 * @description：处理假死问题执行结果
 */
public class NotifyDemoByCondition {
    public static void main(String[] args) {
        FactoryByCondition factory = new FactoryByCondition();

        // 生产者
        Thread producer = new Thread(() -> {
            try {
                factory.put();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "生产者");
        producer.start();

        // 生产者 2
        Thread producer2 = new Thread(() -> {
            try {
                factory.put();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "生产者2");
        producer2.start();

        // 消费者
        Thread consumer = new Thread(() -> {
            try {
                factory.take();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "消费者");
        consumer.start();
    }
}

程序的执行结果如下图所示：

这个效果怎么样，按部就班，谁也不干扰谁，一点点得执行，是不是很好，但是，再美好得背后，肯定有更觉大的危机，不信？接着往下看

2.性能问题

在上面我们演示 notify 会造成线程的“假死”问题的时候，那有的朋友可能会说：如果把 notify 换成 notifyAll 线程就不会“假死”了。岂不是更简单？

我不多说，直接代码执行大家看结果

工厂类我还是使用之前的Fctory代码，只不过把notify更改为notifyAll()方法

依旧是两个生产者加一个消费者

执行的结果如下图所示：

通过以上结果可以看出：当我们调用 notifyAll 时确实不会造成线程“假死”了，但会造成所有的生产者都被唤醒了，但因为待执行的任务只有一个，因此被唤醒的所有生产者中，只有一个会执行正确的工作，而另一个则是啥也不干，然后又进入等待状态，这种行为对于整个程序来说，无疑是多此一举，只会增加线程调度的开销，从而导致整个程序的性能下降。

反观 Condition 的 await 和 signal 方法，即使有多个生产者，程序也只会唤醒一个有效的生产者进行工作，如下图所示：

生产者和生产者 2 依次会被交替的唤醒进行工作，所以这样执行时并没有任何多余的开销，从而相比于 notifyAll 而且整个程序的性能会提升不少。

总结

本文我们通过代码和流程图的方式演示了 wait 方法和 notify/notifyAll 方法的使用缺陷，它的缺陷主要有两个，一个是在极端环境下使用 notify 会造成程序“假死”的情况，另一个就是使用 notifyAll 会造成性能下降的问题，因此在进行线程通讯时，强烈建议使用 Condition 类来实现。

PS：有人可能会问为什么不用 Condition 的 signalAll 和 notifyAll 进行性能对比？而使用 signal 和 notifyAll 进行对比？我只想说，既然使用 signal 可以实现此功能，为什么还要使用 signalAll 呢？这就好比在有暖气的 25 度的房间里，穿一件短袖就可以了，为什么还要穿一件棉袄呢？

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