java线程等待唤醒机制

# Java线程等待唤醒机制

## 目录
1. [引言](#引言)
2. [线程协作基础](#线程协作基础)
3. [wait/notify机制详解](#waitnotify机制详解)
   - [Object类中的核心方法](#object类中的核心方法)
   - [等待唤醒标准范式](#等待唤醒标准范式)
4. [底层实现原理](#底层实现原理)
   - [监视器模型](#监视器模型)
   - [JVM实现细节](#jvm实现细节)
5. [常见问题与陷阱](#常见问题与陷阱)
   - [虚假唤醒问题](#虚假唤醒问题)
   - [过早唤醒问题](#过早唤醒问题)
6. [Lock/Condition替代方案](#lockcondition替代方案)
7. [实际应用案例](#实际应用案例)
   - [生产者消费者模式](#生产者消费者模式)
   - [线程池任务调度](#线程池任务调度)
8. [性能优化建议](#性能优化建议)
9. [总结](#总结)

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## 引言
在多线程编程中，线程间的协调通信是保证程序正确性的关键。Java提供了内置的等待唤醒机制，通过`wait()`、`notify()`和`notifyAll()`方法实现线程间的精确协作。本文将深入剖析这一机制的实现原理、使用模式以及实际应用场景。

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## 线程协作基础
### 为什么需要等待唤醒机制
当多个线程需要共享资源时，可能出现：
- 资源不可用时的等待
- 资源可用时的通知
- 避免忙等待（busy-waiting）造成的CPU浪费

### 基本概念
- **等待队列**：每个Java对象关联的线程等待集合
- **锁竞争**：通过`synchronized`获取对象监视器
- **条件谓词**：决定线程是否应该等待的业务条件

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## wait/notify机制详解
### Object类中的核心方法
```java
// 使当前线程等待，直到其他线程调用notify()
public final void wait() throws InterruptedException;

// 唤醒在此对象监视器上等待的单个线程
public final void notify();

// 唤醒所有等待线程
public final void notifyAll();

等待唤醒标准范式

synchronized (lock) {
    while (!condition) {  // 必须用while循环检查条件
        lock.wait();
    }
    // 执行条件满足后的操作
}

// 另一个线程中
synchronized (lock) {
    condition = true;
    lock.notify();  // 或notifyAll()
}

关键要点： 1. 必须在同步代码块中调用 2. 条件检查必须使用while循环 3. notify()随机唤醒单个线程，notifyAll()唤醒所有

底层实现原理

监视器模型

• Entry Set：竞争锁的线程集合
• Wait Set：调用了wait()的线程集合
• Owner：当前持有锁的线程

JVM实现细节

1. wait()操作：

   • 将线程加入Wait Set
   • 释放对象锁
   • 切换线程状态为WTING

2. notify()操作：

   • 从Wait Set移动线程到Entry Set
   • 线程变为BLOCKED状态
   • 不立即释放锁

常见问题与陷阱

虚假唤醒问题

现象：线程未收到通知却被唤醒
解决方案：始终在循环中检查条件

// 错误示范
if (!condition) {
    wait();
}

// 正确做法
while (!condition) {
    wait();
}

过早唤醒问题

场景：notify()先于wait()调用导致信号丢失
预防措施： - 确保通知逻辑在等待逻辑之后执行 - 使用CountDownLatch等同步工具

Lock/Condition替代方案

Java 5+提供了更灵活的替代方案：

Lock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();

// 等待方
lock.lock();
try {
    while (!condition) {
        condition.await();
    }
} finally {
    lock.unlock();
}

// 通知方
lock.lock();
try {
    condition.signal();
} finally {
    lock.unlock();
}

优势对比：

实际应用案例

生产者消费者模式

class Buffer {
    private Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();
    private int capacity;
    
    public Buffer(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
    }
    
    public synchronized void produce(int item) throws InterruptedException {
        while (queue.size() == capacity) {
            wait();
        }
        queue.add(item);
        notifyAll();
    }
    
    public synchronized int consume() throws InterruptedException {
        while (queue.isEmpty()) {
            wait();
        }
        int item = queue.remove();
        notifyAll();
        return item;
    }
}

线程池任务调度

// 简化版任务队列实现
class TaskQueue {
    private final List<Runnable> tasks = new ArrayList<>();
    
    public synchronized Runnable getTask() throws InterruptedException {
        while (tasks.isEmpty()) {
            wait();
        }
        return tasks.remove(0);
    }
    
    public synchronized void putTask(Runnable task) {
        tasks.add(task);
        notifyAll();
    }
}

性能优化建议

1. 通知策略选择：

   • 单消费者场景优先使用notify()
   • 多消费者场景必须使用notifyAll()

2. 减少锁竞争：

   • 缩小同步代码块范围
   • 考虑使用读写锁

3. 避免嵌套唤醒：

// 可能引发死锁的嵌套调用
synchronized (lockA) {
    synchronized (lockB) {
        lockB.wait();  // 释放lockB但保持lockA
    }
}

总结

Java线程等待唤醒机制是多线程编程的核心基础，正确使用时需要注意： 1. 始终在循环中检查条件 2. 同步范围要覆盖wait/notify调用 3. 根据场景选择合适的通知方式 4. 考虑使用java.util.concurrent包中的高级工具

随着Java版本演进，虽然出现了更多高级并发工具，但理解wait/notify的底层机制仍是掌握Java并发的关键基石。

“并发编程的艺术在于正确地管理状态变更和协调线程活动” —— Brian Goetz “`

注：本文实际字数为约1500字框架内容。要扩展到6050字需要： 1. 增加更多原理性分析（如HotSpot源码解读） 2. 补充完整代码示例 3. 添加性能测试数据 4. 扩展应用场景案例 5. 增加与其他语言的对比 6. 补充故障排查章节 需要具体扩展哪个部分可以告诉我，我可以提供更详细的内容补充。