Java并发编程理解Thread和Object类中线程相关方法

为什么线程通信的方法wait()，notify()和notifyAll()被定义在Object类里？而sleep定义在Thread类里？
用3种方式实现生产者模式
Join和sleep和wait期间线程的状态分别是什么？为什么？

1. wait,notify,notifyAll方法

作用、用法：阻塞阶段、唤醒阶段、遇到中断

1.1阻塞阶段

另一个线程调用该对象的notify()方法且刚好被唤醒的是本线程。
另一个线程调用该对象的notifyAll()方法
过来wait(long timeout)规定的超时时间，如果传入0就是永久等待。
线程自身调用了interrupt()。

wait,notify,notifyAll作用、方法

阻塞阶段
唤醒阶段
遇到中断

wait、notify

/**
 * 描述：     展示wait和notify的基本用法 1. 研究代码执行顺序 2. 证明wait释放锁
 */
public class Wait {

    public static Object object = new Object();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread1 thread1 = new Thread1();
        Thread2 thread2 = new Thread2();
        thread1.start();
        Thread.sleep(200);
        thread2.start();
    }

    static class Thread1 extends Thread {

        @Override
        public void run() {
            synchronized (object) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始执行了");
                try {
                    object.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "获取到了锁。");
            }
        }
    }

    static class Thread2 extends Thread {

        @Override
        public void run() {
            synchronized (object) {
                object.notify();
                System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "调用了notify()");
            }
        }
    }
}

Thread-0开始执行了
线程Thread-1调用了notify()
线程Thread-0获取到了锁。

notifyAll

/**
 * 描述：     3个线程，线程1和线程2首先被阻塞，线程3唤醒它们。notify, notifyAll。 start先执行不代表线程先启动。
 */
public class WaitNotifyAll implements Runnable {

    private static final Object resourceA = new Object();


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Runnable r = new WaitNotifyAll();
        Thread threadA = new Thread(r);
        Thread threadB = new Thread(r);
        Thread threadC = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (resourceA) {
                    resourceA.notifyAll();
//                    resourceA.notify();
                    System.out.println("ThreadC notified.");
                }
            }
        });
        threadA.start();
        threadB.start();
        Thread.sleep(200);
        threadC.start();
    }
    @Override
    public void run() {
        synchronized (resourceA) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" got resourceA lock.");
            try {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" waits to start.");
                resourceA.wait();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"'s waiting to end.");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

Thread-0 got resourceA lock.
Thread-0 waits to start.
Thread-1 got resourceA lock.
Thread-1 waits to start.
ThreadC notified.
Thread-1's waiting to end.
Thread-0's waiting to end.

如果将resourceA.notifyAll() 改为resourceA.notify() 输出结果

Thread-0 got resourceA lock.
Thread-0 waits to start.
Thread-1 got resourceA lock.
Thread-1 waits to start.
ThreadC notified.
Thread-0's waiting to end.

wait只释放当前的那把锁

public class WaitNotifyReleaseOwnMonitor {

    private static volatile Object resourceA = new Object();
    private static volatile Object resourceB = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (resourceA) {
                    System.out.println("ThreadA got resourceA lock.");
                    synchronized (resourceB) {
                        System.out.println("ThreadA got resourceB lock.");
                        try {
                            System.out.println("ThreadA releases resourceA lock.");
                            resourceA.wait();

                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                }
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (resourceA) {
                    System.out.println("ThreadB got resourceA lock.");
                    System.out.println("ThreadB tries to resourceB lock.");

                    synchronized (resourceB) {
                        System.out.println("ThreadB got resourceB lock.");
                    }
                }
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

ThreadA got resourceA lock.
ThreadA got resourceB lock.
ThreadA releases resourceA lock.
ThreadB got resourceA lock.
ThreadB tries to resourceB lock.

2.生产者消费者设计模式

产生数据的模块，就形象地称为生产者；而处理数据的模块，就称为消费者。
单单抽象出生产者和消费者，还够不上是生产者／消费者模式。该模式还需要有一个缓冲区处于生产者和消费者之间，作为一个中介。生产者把数据放入缓冲区，而消费者从缓冲区取出数据。

为什么要使用生产者和消费者模式

解耦：
假设生产者和消费者分别是两个类。如果让生产者直接调用消费者的某个方法，那么生产者对于消费者就会产生依赖（也就是耦合）。将来如果消费者的代码发生变化，可能会影响到生产者。而如果两者都依赖于某个缓冲区，两者之间不直接依赖，耦合也就相应降低了。
支持并发：
生产者直接调用消费者的某个方法，还有另一个弊端。由于函数调用是同步的（或者叫阻塞的），在消费者的方法没有返回之前，生产者只好一直等在那边。万一消费者处理数据很慢，生产者就会白白糟蹋大好时光。
使用了生产者／消费者模式之后，生产者和消费者可以是两个独立的并发主体（常见并发类型有进程和线程两种）。生产者把制造出来的数据往缓冲区一丢，就可以再去生产下一个数据。基本上不用依赖消费者的处理速度。其实当初这个模式，主要就是用来处理并发问题的。
支持忙闲不均：
缓冲区还有另一个好处。如果制造数据的速度时快时慢，缓冲区的好处就体现出来了。当数据制造快的时候，消费者来不及处理，未处理的数据可以暂时存在缓冲区中。等生产者的制造速度慢下来，消费者再慢慢处理掉。
环形缓冲区(减少了内存分配的开销)
双缓冲区(减少了同步/互斥的开销)

/**
 * 描述：     用wait/notify来实现生产者消费者模式
 */
public class ProducerConsumerModel {
    public static void main(String[] args) {
        EventStorage eventStorage = new EventStorage();
        Producer producer = new Producer(eventStorage);
        Consumer consumer = new Consumer(eventStorage);
        new Thread(producer).start();
        new Thread(consumer).start();
    }
}

class Producer implements Runnable {

    private final EventStorage storage;

    public Producer(
            EventStorage storage) {
        this.storage = storage;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            storage.put();
        }
    }
}

class Consumer implements Runnable {

    private final EventStorage storage;

    public Consumer(
            EventStorage storage) {
        this.storage = storage;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            storage.take();
        }
    }
}

class EventStorage {

    private final int maxSize;
    private final LinkedList<Date> storage;

    public EventStorage() {
        maxSize = 10;
        storage = new LinkedList<>();
    }

    public synchronized void put() {
        while (storage.size() == maxSize) {
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        storage.add(new Date());
        System.out.println("仓库里有了" + storage.size() + "个产品。");
        notify();
    }

    public synchronized void take() {
        while (storage.size() == 0) {
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println("拿到了" + storage.poll() + "，现在仓库还剩下" + storage.size());
        notify();
    }
}

仓库里有了1个产品。
仓库里有了2个产品。
仓库里有了3个产品。
仓库里有了4个产品。
仓库里有了5个产品。
仓库里有了6个产品。
仓库里有了7个产品。
仓库里有了8个产品。
仓库里有了9个产品。
仓库里有了10个产品。
拿到了Wed Dec 23 11:44:11 CST 2020，现在仓库还剩下9
拿到了Wed Dec 23 11:44:11 CST 2020，现在仓库还剩下8
拿到了Wed Dec 23 11:44:11 CST 2020，现在仓库还剩下7
拿到了Wed Dec 23 11:44:11 CST 2020，现在仓库还剩下6
拿到了Wed Dec 23 11:44:11 CST 2020，现在仓库还剩下5
拿到了Wed Dec 23 11:44:11 CST 2020，现在仓库还剩下4
拿到了Wed Dec 23 11:44:11 CST 2020，现在仓库还剩下3
拿到了Wed Dec 23 11:44:11 CST 2020，现在仓库还剩下2
拿到了Wed Dec 23 11:44:11 CST 2020，现在仓库还剩下1
拿到了Wed Dec 23 11:44:11 CST 2020，现在仓库还剩下0
仓库里有了1个产品。
仓库里有了2个产品。
...省略

为什么wait()方法要放在同步块中

防止出现Lost Wake-Up Problem （防止一直wait中）
https://blog.csdn.net/zl1zl2zl3/article/details/89236983
https://www.cnblogs.com/xiohao/p/7118102.html

为什么线程通信的方法wait()，notify()和notifyAll()被定义在Object类里

这些方法存在于同步中；
使用这些方法必须标识同步所属的锁；
锁可以是任意对象，所以任意对象调用方法一定定义在Object类中。
一个线程可以加多把锁

3. sleep方法不释放锁

包括synchronized和lock
和wait不同

/**
 * 展示线程sleep的时候不释放synchronized的monitor，等sleep时间到了以后，正常结束后才释放锁
 */
public class SleepDontReleaseMonitor implements Runnable {

    public static void main(String[] args) {
        SleepDontReleaseMonitor sleepDontReleaseMonitor = new SleepDontReleaseMonitor();
        new Thread(sleepDontReleaseMonitor).start();
        new Thread(sleepDontReleaseMonitor).start();
    }

    @Override
    public void run() {
        syn();
    }

    private synchronized void syn() {
        System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "获取到了monitor。");
        try {
            Thread.sleep(5000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "退出了同步代码块");
    }
}

线程Thread-1获取到了monitor。
线程Thread-1退出了同步代码块
线程Thread-0获取到了monitor。
线程Thread-0退出了同步代码块

public class SleepDontReleaseLock implements Runnable {

    private static final Lock lock = new ReentrantLock();

    public static void main(String[] args) {
        SleepDontReleaseLock sleepDontReleaseLock = new SleepDontReleaseLock();
        new Thread(sleepDontReleaseLock).start();
        new Thread(sleepDontReleaseLock).start();
    }

    @Override
    public void run() {
        lock.lock();
        System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "获取到了锁");
        try {
            Thread.sleep(5000);
            System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "已经苏醒");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

线程Thread-0获取到了锁
线程Thread-0已经苏醒
线程Thread-1获取到了锁
线程Thread-1已经苏醒

3.1 sleep方法响应中断

抛出InterruptedException
清除中断状态

public class SleepInterrupted implements Runnable {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(new SleepInterrupted());
        thread.start();
        Thread.sleep(6500);
        thread.interrupt();
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println(new Date());
            try {
                TimeUnit.HOURS.sleep(3);
                TimeUnit.MINUTES.sleep(25);
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                System.out.println("我被中断了！");
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

Wed Dec 23 16:24:15 CST 2020
我被中断了！
Wed Dec 23 16:24:22 CST 2020
java.lang.InterruptedException: sleep interrupted
    at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
    at java.lang.Thread.sleep(Thread.java:340)
    at java.util.concurrent.TimeUnit.sleep(TimeUnit.java:386)
    at com.kpioneer.thread.threadcoreknowledge.threadobjectclasscommonmethods.SleepInterrupted.run(SleepInterrupted.java:24)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

总结：sleep方法可以让线程进入到Waiting状态，并且不占用CPU资源，但是不释放锁，直到规定时间后再执行，休眠期间如果被中断，会抛出异常并清除中断状态。

wait/notify 和 sleep 方法的异同

相同点：

它们都可以让线程阻塞。
它们都可以响应 interrupt 中断：在等待的过程中如果收到中断信号，都可以进行响应，并抛出 InterruptedException 异常。

不同点：

wait 方法必须在 synchronized 保护的代码中使用，而 sleep 方法并没有这个要求。
在同步代码中执行 sleep 方法时，并不会释放 monitor 锁，但执行 wait 方法时会主动释放 monitor 锁。
sleep 方法中会要求必须定义一个时间，时间到期后会主动恢复，而对于没有参数的 wait 方法而言，意味着永久等待，直到被中断或被唤醒才能恢复，它并不会主动恢复。
wait/notify 是 Object 类的方法，而 sleep 是 Thread 类的方法。

4. join方法

4.1 join方法作用、用法

作用：因为新的线程加入了我们，所以我们需要等他执行完再出发
用法：main等待thread1执行完毕，注意谁等谁

4.2 join普通用法

public class Join {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");
            }
        });
        Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");
            }
        });

        thread.start();
        thread2.start();
        System.out.println("开始等待子线程运行完毕");
        thread.join();
        thread2.join();
        System.out.println("所有子线程执行完毕");
    }
}

开始等待子线程运行完毕
Thread-1执行完毕
Thread-0执行完毕
所有子线程执行完毕

4.3 join遇到中断

public class JoinInterrupt {
    public static void main(String[] args) {
        Thread mainThread = Thread.currentThread();
        Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    mainThread.interrupt();
                    Thread.sleep(5000);
                    System.out.println("Thread1 finished.");
                } catch (InterruptedException e) {
                    System.out.println("子线程中断");
                }
            }
        });
        thread1.start();
        System.out.println("等待子线程运行完毕");
        try {
            thread1.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "主线程中断了");
        }
        System.out.println("子线程已运行完毕");
    }

}

等待子线程运行完毕
main主线程中断了
子线程已运行完毕
Thread1 finished.

注意：发现子线程已运行完毕又打印了Thread1 finished. 说明子线程并没有运行完毕

优化：在异常中指定子线程中断thread1.interrupt()

        try {
            thread1.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "主线程中断了");
            thread1.interrupt();
        }

树池

等待子线程运行完毕
main主线程中断了
子线程已运行完毕
子线程中断

Thread1 finished. 没有打印符合结果

4.4 在join期间，线程到底是什么状态

/**
 * 描述：     先join再mainThread.getState()
 * 通过debugger看线程join前后状态的对比
 */
public class JoinThreadState {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread mainThread = Thread.currentThread();
        Thread thread = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                    System.out.println(mainThread.getState());
                    System.out.println("Thread-0运行结束");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        thread.start();
        System.out.println("等待子线程运行完毕");
        thread.join();
        System.out.println("子线程运行完毕");

    }
}

等待子线程运行完毕
WAITING
Thread-0运行结束
子线程运行完毕

4.5 join等价实现

/**
 * 描述：     通过讲解join原理，分析出join的代替写法
 */
public class JoinPrinciple {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "执行完毕");
            }
        });

        thread.start();
        System.out.println("开始等待子线程运行完毕");
//        thread.join();
        synchronized (thread) {
            thread.wait();
        }
        System.out.println("所有子线程执行完毕");
    }
}

开始等待子线程运行完毕
Thread-0执行完毕
所有子线程执行完毕

5 yield方法详解

作用：释放我的CPU时间片
定位：JVM不保证遵循
yield 线程可能再次被调度

特别感谢

悟空

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