wait,notify/notifyAll的使用及实现原理

1、介绍

java中的wait/notify的等待唤醒机制可以实现线程间的通信，wait使当前线程进入等待，该操作会使线程阻塞，直到其它线程唤醒（调用notify、notifyAll方法）它才可继续执行。

wait()、notify()/notifyAll()都是定义在 Object类的final方法，不支持重写。
wait()、notify()/notifyAll()都和对象监视器密切相关，所以这几个方法都需和synchronized搭配使用。
wait()方法在已获取锁的前提下，使当前线程阻塞，释放当前锁，等待其它线程唤醒。
notify()唤醒此对象监视器上阻塞等待的单个线程，不释放锁，被唤醒的线程参与到锁的竞争中。
notifyAll()唤醒此对象监视器上阻塞等待的所有线程，不释放锁，被唤醒的所有线程参与到锁的竞争中。

2、使用案例

案例壹：使用两个线程交替打印1-26,a-z

/*** 代码*/
public class Demo {public synchronized void printNum() {for(int i=1;i<=26;i++){this.notify();System.out.print(i);try {this.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}public synchronized void printAz(){char[] arr = {'a','b','c','d','e','f','g','h','i','j','k','l','m','n','o','p','q','r','s','t','u','v','w','x','y','z'};for(int i=0;i<arr.length;i++){this.notify();System.out.print(arr[i]);try {this.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}public static void main(String[] args) {final Demo demo = new Demo();new Thread(()->{demo.printNum();}).start();new Thread(()->{demo.printAz();}).start();}
}/*** 运行结果*/
1a2b3c4d5e6f7g8h9i10j11k12l13m14n15o16p17q18r19s20t21u22v23w24x25y26z

案例贰：使用三个线程交替打印1-26,a-z,A-Z

/*** 代码*/
public class Demo {public void printNum() {for(int i=1;i<=26;i++){synchronized ("AZ"){synchronized ("num"){System.out.print(i);"num".notify();}try {"AZ".wait();} catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }}}}public void printAz(){char[] arr = {'a','b','c','d','e','f','g','h','i','j','k','l','m','n','o','p','q','r','s','t','u','v','w','x','y','z'};for(int i=0;i<arr.length;i++){synchronized ("num"){synchronized ("az"){System.out.print(arr[i]);"az".notify();}try {"num".wait();} catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }}}}public void printAZ(){char[] arr = {'A','B','C','D','E','F','G','H','I','J','K','L','M','N','O','P','Q','R','S','T','U','V','W','X','Y','Z'};for(int i=0;i<arr.length;i++){synchronized ("az"){synchronized ("AZ"){System.out.print(arr[i]);"AZ".notify();}try {"az".wait();} catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }}}}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Demo demo = new Demo();new Thread(()->{demo.printNum();}).start();TimeUnit.SECONDS.sleep(1);new Thread(()->{demo.printAz();}).start();TimeUnit.SECONDS.sleep(1);new Thread(()->{demo.printAZ();}).start();}
}/*** 运行结果*/
1aA2bB3cC4dD5eE6fF7gG8hH9iI10jJ11kK12lL13mM14nN15oO16pP17qQ18rR19sS20tT21uU22vV23wW24xX25yY26zZ

3、实现原理

java线程的五种状态图解：

重量级锁通过对象内部的监视器（monitor）实现，监视器内部记录了获取当前监视器的线程和进入锁的次数等信息。monitor是由ObjectMonitor实现的，其主要数据结构如下（位于HotSpot虚拟机源码ObjectMonitor.hpp文件，C++实现的），内部记录了处于等待blockd状态的线程列表和处于锁定blockd状态的线程列表。

ObjectMonitor() {_header       = NULL;_count        = 0; _waiters      = 0,_recursions   = 0;_object       = NULL;_owner        = NULL;_WaitSet      = NULL; //处于等待blockd状态的线程，会被加入到_WaitSet_WaitSetLock  = 0 ;_Responsible  = NULL ;_succ         = NULL ;_cxq          = NULL ;//处于锁定blockd状态的线程，会被加入到_cxqFreeNext      = NULL ;_EntryList    = NULL ; _SpinFreq     = 0 ;_SpinClock    = 0 ;OwnerIsThread = 0 ;}

monitor获取释放图解：

加入wait、notify后monitor获取释放图解：

4、注意事项

根据monitor获取释放图解，锁对象调用wait、notify/notifyAll前提是当前线程已经获取到此锁对象。

若当前线程获取到a对象锁，使用b对象调用wait、notify/notifyAll，则会报运行时异常。

演示1（正常）

/*** 代码*/
public class Demo {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {new Thread(()->{synchronized ("lock1"){try {//当前线程已获取到字符串lock1的锁对象，可以释放。"lock1".wait();System.out.println("lock1锁住的线程已被唤醒");} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}).start();TimeUnit.SECONDS.sleep(1);synchronized ("lock1"){//当前线程已获取到字符串对象lock1的锁对象，可以唤醒。"lock1".notify();}}
}

演示2（正常）

/*** 代码*/
public class Demo {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {new Thread(()->{synchronized ("lock1"){synchronized ("lock2"){try {当前线程已获取到字符串lock1、lock2的锁对象，lock1可以释放。"lock1".wait();System.out.println("lock1锁住的线程已被唤醒");} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}}).start();TimeUnit.SECONDS.sleep(1);synchronized ("lock1"){//当前线程已获取到字符串对象lock1的锁对象，可以唤醒。"lock1".notify();}}
}

演示3（异常）

/*** 代码*/
public class Demo {public static void main(String[] args){new Thread(()->{synchronized ("lock1"){try {//当前线程已获取到字符串对象lock1的锁对象，释放lock2异常TimeUnit.SECONDS.sleep(1);"lock2".wait();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}).start();new Thread(()->{synchronized ("lock2"){try {TimeUnit.SECONDS.sleep(1);//当前线程已获取到字符串对象lock2的锁对象，释放lock1异常"lock1".wait();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}).start();}
}/*** 运行结果报错*/
java.lang.IllegalMonitorStateException
java.lang.IllegalMonitorStateException

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