四、协作，互斥下的协作——Java多线程协作（wait、notify、notifyAll）
Java监视器支持两种线程：互斥和协作。
前面我们介绍了采用对象锁和重入锁来实现的互斥。这一篇中，我们来看一看线程的协作。
举个例子：有一家汉堡店举办吃汉堡比赛，决赛时有3个顾客来吃，3个厨师来做，一个服务员负责协调汉堡的数量。为了避免浪费，制 作好的汉堡被放进一个能装有10个汉堡的长条状容器中，按照先进先出的原则取汉堡。如果容器被装满，则厨师停止做汉堡，如果顾客发 现容器内的汉堡吃完了，就可以拍响容器上的闹铃，提醒厨师再做几个汉堡出来。此时服务员过来安抚顾客，让他等待。而一旦厨师的汉 堡做出来，就会让服务员通知顾客，汉堡做好了，让顾客继续过来取汉堡。
这里，顾客其实就是我们所说的消费者，而厨师就是生产者。容器是决定厨师行为的监视器，而服务员则负责监视顾客的行为。
在JVM中，此种监视器被称为等待并唤醒监视器。
在这种监视器中，一个已经持有该监视器的线程，可以通过调用监视对象的wait方法，暂停自身的执行，并释放监视器，自己进入一个 等待区，直到监视器内的其他线程调用了监视对象的notify方法。当一个线程调用唤醒命令以后，它会持续持有监视器，直到它主动释放 监视器。而这之后，等待线程会苏醒，其中的一个会重新获得监视器，判断条件状态，以便决定是否继续进入等待状态或者执行监视区域 ，或者退出。
请看下面的代码：
1.public class NotifyTest {2.private String flag = "true";3.4.class NotifyThread extends Thread{5.public NotifyThread(String name) {6.super(name);7.}8.public void run() {9.try {10.sleep(3000);//推迟3秒钟通知11.} catch (InterruptedException e) {12.e.printStackTrace();13.} 14.15.flag = "false";16.flag.notify();17.}18.};19.20.class WaitThread extends Thread {21.public WaitThread(String name) {22.super(name);23.}24.25.public void run() {26.27.while (flag!="false") {28.System.out.println(getName() + " begin waiting!");29.long waitTime = System.currentTimeMillis();30.try {31.flag.wait();32.} catch (InterruptedException e) {33.e.printStackTrace();34.}35.waitTime = System.currentTimeMillis() - waitTime;36.System.out.println("wait time :"+waitTime);37.}38.System.out.println(getName() + " end waiting!");39.40.}41.}42.43.public static void main(String[] args) throws InterruptedException {44.System.out.println("Main Thread Run!");45.NotifyTest test = new NotifyTest();46.NotifyThread notifyThread =test.new NotifyThread("notify01");47.WaitThread waitThread01 = test.new WaitThread ("waiter01");48.WaitThread waitThread02 = test.new WaitThread("waiter02");49.WaitThread waitThread03 = test.new WaitThread("waiter03");50.notifyThread.start();51.waitThread01.start();52.waitThread02.start ();53.waitThread03.start();54.}55.56.}
这段代码启动了三个简单的wait线程，当他们处于等待状态以后，试图由一个notify线程来唤醒。
运行这段程序，你会发现，满屏的java.lang.IllegalMoniTorStateException，根本不是你想要的结果。
请注意以下几个事实：
1.任何一个时刻，对象的控制权（moniTor）只能被一个线程拥有。
2.无论是执行对象的wait、notify还是notifyAll方法，必须保证当前运行的线程取得了该对象的控制权（moniTor）。
3.如果在没有控制权的线程里执行对象的以上三种方法，就会报java.lang.IllegalMoniTorStateException异常。
4.JVM基于多线程，默认情况下不能保证运行时线程的时序性。
也就是说，当线程在调用某个对象的wait或者notify方法的时候，要先取得该对象的控制权，换句话说，就是进入这个对象的监视器。
通过前面对同步的讨论，我们知道，要让一个线程进入某个对象的监视器，通常有三种方法：
1： 执行对象的某个同步实例方法
2： 执行对象对应的同步静态方法
3： 执行对该对象加同步锁的同步块
显然，在上面的例程中，我们用第三种方法比较合适。
于是我们将上面的wait和notify方法调用包在同步块中。
1.synchronized (flag) {2.flag = "false";3.flag.notify();4.}
1.synchronized (flag) {2.while (flag!="false") {3.System.out.println(getName() + " begin waiting!");4.long waitTime = System.currentTimeMillis();5.try {6.flag.wait();7.} catch (InterruptedException e) {8.e.printStackTrace();9.}10.waitTime = System.currentTimeMillis() - waitTime;11.System.out.println("wait time :"+waitTime);12.}13.System.out.println(getName() + " end waiting!");14.}
但是，运行这个程序，我们发现事与愿违。那个非法监视器异常又出现了。。。
我们注意到，针对flag的同步块中，我们实际上已经更改了flag对对象的引用： flag=”false”;
显然，这样一来，同步块也无能为力了，因为我们根本不是针对唯一的一个对象在进行同步。
我们不妨将flag封装到JavaBean或者数组中去，这样用JavaBean对象或者数组对象进行同步，就可以达到既能修改里面参数又不耽误同 步的目的。
1.private String flag[] = {"true"};
1.synchronized (flag) {2.flag[0] = "false";3.flag.notify();4.}
1.synchronized (flag) {2.flag[0] = "false";3.flag.notify();4.}synchronized (flag) {5.while (flag[0]!="false") {6.System.out.println(getName() + " begin waiting!");7.long waitTime = System.currentTimeMillis();8.try {9.flag.wait();10.11.} catch (InterruptedException e) {12.e.printStackTrace();13.}
运行这个程序，看不到异常了。但是仔细观察结果，貌似只有一个线程被唤醒。利用jconsole等工具查看线程状态，发现的确还是有两 个线程被阻塞的。这是为啥呢？
程序中使用了flag.notify()方法。只能是随机的唤醒一个线程。我们可以改用flag.notifyAll()方法。这样，所有被阻塞的线程都会 被唤醒了。
最终代码请读者自己修改，这里不再赘述。
好了，亲爱的读者们，让我们回到开篇提到的汉堡店大赛问题当中去，来看一看厨师、服务生和顾客是怎么协作进行这个比赛的。
首先我们构造故事中的三个次要对象：汉堡包、存放汉堡包的容器、服务生
public class Waiter {//服务生，这是个配角，不需要属性。} class Hamberg { //汉堡包 private int id;//汉堡编号 private String cookerid;//厨师编号 public Hamberg(int id, String cookerid){ this.id = id; this.cookerid = cookerid; System.out.println(this.toString()+"was made!"); } @Override public String toString() { return "#"+id+" by "+cookerid; } } class HambergFifo { //汉堡包容器 List hambergs = new ArrayList();//借助ArrayList来存放汉堡包 int maxSize = 10;//指定容器容量 //放入汉堡 public void push(T t) { hambergs.add(t); } //取出汉堡 public Hamberg pop() { Hamberg h = hambergs.get(0); hambergs.remove(0); return h; } //判断容器是否为空 public boolean isEmpty() { return hambergs.isEmpty(); } //判断容器内汉堡的个数 public int size() { return hambergs.size(); } //返回容器的最大容量 public int getMaxSize() { return this.maxSize; } }
接下来我们构造厨师对象：
class Cooker implements Runnable { //厨师要面对容器 HambergFifo pool; //还要面对服务生 Waiter waiter; public Cooker(Waiter waiter, HambergFifo hambergStack) { this.pool = hambergStack; this.waiter = waiter; } //制造汉堡 public void makeHamberg() { //制造的个数 int madeCount = 0; //因为容器满，被迫等待的次数 int fullFiredCount = 0; try { while (true) { //制作汉堡前的准备工作 Thread.sleep(1000); if (pool.size() < pool.getMaxSize()) { synchronized (waiter) { //容器未满，制作汉堡，并放入容器。 pool.push(new Hamberg(++madeCount,Thread.currentThread ().getName())); //说出容器内汉堡数量 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": There are " + pool.size() + " Hambergs in all"); //让服务生通知顾客，有汉堡可以吃了 waiter.notifyAll(); System.out.println("### Cooker: waiter.notifyAll() :"+ " Hi! Customers, we got some new Hambergs!"); } } else { synchronized (pool) { if (fullFiredCount++ < 10) { //发现容器满了，停止做汉堡的尝试。 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": Hamberg Pool is Full, Stop making hamberg"); System.out.println("### Cooker: pool.wait()"); //汉堡容器的状况使厨师等待 pool.wait(); } else { return; } } } //做完汉堡要进行收尾工作，为下一次的制作做准备。 Thread.sleep(1000); } } catch (Exception e) { madeCount--; e.printStackTrace(); } } public void run() { makeHamberg(); } }
接下来，我们构造顾客对象：
class Customer implements Runnable { //顾客要面对服务生 Waiter waiter; //也要面对汉堡包容器 HambergFifo pool; //想要记下自己吃了多少汉堡 int ateCount = 0; //吃每个汉堡的时间不尽相同 long sleeptime; //用于产生随机数 Random r = new Random(); public Customer(Waiter waiter, HambergFifo pool) { this.waiter = waiter; this.pool = pool; } public void run() { while (true) { try { //取汉堡 getHamberg(); //吃汉堡 eatHamberg(); } catch (Exception e) { synchronized (waiter) { System.out.println(e.getMessage()); //若取不到汉堡，要和服务生打交道 try { System.out.println("### Customer: waiter.wait():"+ " Sorry, Sir, there is no hambergs left, please wait!"); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": OK, Waiting for new hambergs"); //服务生安抚顾客，让他等待。 waiter.wait(); continue; } catch (InterruptedException ex) { ex.printStackTrace(); } } } } } private void eatHamberg() { try { //吃每个汉堡的时间不等 sleeptime = Math.abs(r.nextInt(3000)) * 5; System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": I'm eating the hamberg for " + sleeptime + " milliseconds"); Thread.sleep(sleeptime); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } } private void getHamberg() throws Exception { Hamberg hamberg = null; synchronized (pool) { try { //在容器内取汉堡 hamberg = pool.pop(); ateCount++; System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": I Got " + ateCount + " Hamberg " + hamberg); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": There are still " + pool.size() + " hambergs left"); } catch (Exception e) { pool.notifyAll(); System.out.println("### Customer: pool.notifyAll()"); throw new Exception(Thread.currentThread().getName() + ": OH MY GOD!!!! No hambergs left, Waiter![Ring the bell besides the hamberg pool]"); } } } }
最后，我们构造汉堡店，让这个故事发生：
public class HambergShop { Waiter waiter = new Waiter(); HambergFifo hambergPool = new HambergFifo(); Customer c1 = new Customer(waiter, hambergPool); Customer c2 = new Customer(waiter, hambergPool); Customer c3 = new Customer(waiter, hambergPool); Cooker cooker = new Cooker(waiter, hambergPool); public static void main(String[] args) { HambergShop hambergShop = new HambergShop(); Thread t1 = new Thread(hambergShop.c1, "Customer 1"); Thread t2 = new Thread(hambergShop.c2, "Customer 2"); Thread t3 = new Thread(hambergShop.c3, "Customer 3"); Thread t4 = new Thread(hambergShop.cooker, "Cooker 1"); Thread t5 = new Thread(hambergShop.cooker, "Cooker 2"); Thread t6 = new Thread(hambergShop.cooker, "Cooker 3"); t4.start(); t5.start(); t6.start(); try { Thread.sleep(10000); } catch (Exception e) { } t1.start(); t2.start(); t3.start(); }}
运行这个程序吧，然后你会看到我们汉堡店的比赛进行的很好，只是不
知道那些顾客是不是会被撑到。。。
读到这里，有的读者可能会想到前面介绍的重入锁ReentrantLock。
有的读者会问：如果我用ReentrantLock来代替上面这些例程当中的 synchronized块，是不是也可以呢？感兴趣的读者不妨一试。
但是在这里，我想提前给出结论，就是，
如果用ReentrantLock的lock()和unlock()方法代替上面的synchronized块，那么上面这些程序还是要抛出 java.lang.IllegalMoniTorStateException异常的，不仅如此，你甚至还会看到线程死锁。原因就是当某个线程调用第三方对象的wait或 者notify方法的时候，并没有进入第三方对象的监视器，于是抛出了异常信息。但此时，程序流程如果没有用finally来处理 unlock方法 ，那么你的线程已经被lock方法上锁，并且无法解锁。程序在java.util.concurrent框架的语义级别死锁了，你用 JConsole这种工具来检 测JVM死锁，还检测不出来。
正确的做法就是，只使用ReentrantLock，而不使用wait或者notify方法。因为ReentrantLock已经对这种互斥和协作进行了概括。所以 ，根据你程序的需要，请单独采用重入锁或者synchronized一种同步机制，最好不要混用。
好了，我们现在明白：
1.线程的等待或者唤醒，并不是让线程调用自己的wait或者notify方法，而是通过调用线程共享对象的wait或者notify方法来实现。
2.线程要调用某个对象的wait或者notify方法，必须先取得该对象的监视器。
3.线程的协作必须以线程的互斥为前提，这种协作实际上是一种互斥下的协作。
下一讲当中，我们来看看如何实实在在的解决线程之间抢占共享资源的问题。敬请期待！
当你能爱的时候就不要放弃爱
