多线程程序中的协作艺术：等待与通知

2024-01-01 19:17:40

揭开协作的秘密：多线程中的等待与通知

导语：

踏入多线程世界的同时，我们也跨入了协作的重要性领域。与单线程程序不同，多线程程序中的多个线程同时运行，对它们之间的交互协调提出了更高的要求。本文将深入探讨等待与通知机制，揭开它在多线程协作中的关键作用。

等待与通知的原理

想象一下两个线程：线程 A 负责生产，而线程 B 负责消费。为了避免生产过剩或消费不足，我们需要一种机制来协调它们。这就是等待与通知机制的用武之地。

等待与通知基于两个关键方法：wait() 和 notify()。wait() 方法让线程进入休眠状态，直到另一个线程调用 notify() 方法将其唤醒。

public synchronized void wait() throws InterruptedException {
    while (!flag) {
        wait();
    }
}

public synchronized void notify() {
    flag = true;
    notifyAll();
}

在上面的代码中，wait() 方法会让线程休眠，直到 flag 变量变为 true。notify() 方法设置 flag 为 true，并唤醒所有等待该线程的线程。

应用场景

等待与通知机制在多线程程序中大放异彩，尤其是在生产者-消费者模式中。在这个模式中，生产者线程负责生成数据，而消费者线程负责消耗数据。

public class ProducerConsumer {
    private final Queue<Integer> queue;
    private final int maxSize;

    public ProducerConsumer(int maxSize) {
        this.queue = new LinkedList<>();
        this.maxSize = maxSize;
    }

    public void produce() {
        synchronized (queue) {
            while (queue.size() == maxSize) {
                try {
                    queue.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            queue.add(1);
            queue.notifyAll();
        }
    }

    public void consume() {
        synchronized (queue) {
            while (queue.isEmpty()) {
                try {
                    queue.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            queue.remove();
            queue.notifyAll();
        }
    }
}

在这个示例中，当队列已满时，生产者线程会被 wait() 方法休眠，直到消费者线程清空队列后将其唤醒。同样，当队列为空时，消费者线程也会被 wait() 方法休眠，直到生产者线程填充队列后将其唤醒。

使用注意事项

熟练使用等待与通知机制的关键在于遵守以下规则：

务必在同步块中调用 wait() 和 notify()。
调用 wait() 之前，必须先获取锁。
调用 notify() 之前，必须先获取锁。
调用 wait() 之后，必须释放锁。
调用 notify() 之后，必须释放锁。

结论

等待与通知机制是多线程协作的基石。它允许一个线程等待另一个线程完成任务，从而实现同步和避免资源竞争。熟练掌握这一机制对于编写高效、无故障的多线程程序至关重要。

常见问题解答

为什么必须在同步块中调用 wait() 和 notify()？
为了确保线程安全，避免线程同时修改共享数据。
调用 wait() 之后必须释放锁吗？
是的，否则其他线程将无法获取锁，导致死锁。
调用 wait() 和 notify() 时，线程的执行顺序如何？
wait() 方法将线程置于等待状态，而 notify() 方法只会唤醒等待的线程，但并不保证唤醒后的执行顺序。
除了 wait() 和 notify()，还有其他等待和通知机制吗？
是的，还有其他机制，如 Object.wait()、Object.notify() 和 Object.notifyAll()。
等待与通知机制适用于哪些编程语言？
等待与通知机制在多种编程语言中得到支持，包括 Java、C# 和 Python。