java多线程同步(wait、notify)生产者消费者简单示例

一、为何写

最为一个Android开发者，如果做得不够深入可能为不会去处理多线程同步的问题，稍微简单点可能使用一个线程池就可以搞定了，有关线程池的介绍可以参考我的另一篇文章：ExecutorService+LruCache+DiskLruCache用一个类打造简单的图片加载库
只是前段时间研究Android音视频硬解码，看到开源项目中用到了线程同步，就是在视频的YUV数据的暂存，和解码为视频并展示，用到了两个线程去做，一个线程收集视频源数据，一个线程负责解码并播放视频，一个视频数据池是两个线程共享的，数据池满了或者空了的时候两个线程是要做出相应处理的，这就涉及到线程同步了。

这里写图片描述

学习、工作和生活的心态就要像向日葵，就算是太阳不在也要迎着月亮！

二、名字讲解

什么是线程同步？

当使用多个线程来访问同一个数据时，非常容易出现线程安全问题(比如多个线程都在操作同一数据导致数据不一致),所以我们用同步机制来解决这些问题。

实现同步机制有两个方法：

1、同步代码块：

synchronized(同一个数据){} 同一个数据：就是N条线程同时访问一个数据。

2、同步方法：

public synchronized 数据返回类型方法名(){}

通过使用同步方法，可非常方便的将某类变成线程安全的类，具有如下特征：
1，该类的对象可以被多个线程安全的访问。
2，每个线程调用该对象的任意方法之后，都将得到正确的结果。
3，每个线程调用该对象的任意方法之后，该对象状态依然保持合理状态。
注：synchronized关键字可以修饰方法，也可以修饰代码块，但不能修饰构造器，属性等

※不要对线程安全类的所有方法都进行同步，只对那些会改变共享资源方法的进行同步。
线程通讯：
当使用synchronized 来修饰某个共享资源时(分同步代码块和同步方法两种情况）,当某个线程获得共享资源的锁后就可以执行相应的代码段，直到该线程运行完该代码段后才释放对该共享资源的锁，让其他线程有机会执行对该共享资源的修改。当某个线程占有某个共享资源的锁时，如果另外一个线程也想获得这把锁运行就需要使用wait() 和notify()/notifyAll()方法来进行线程通讯了。
Java.lang.object 里的三个方法wait() notify() notifyAll()

wait()
导致当前线程等待，直到其他线程调用同步监视器的notify方法或notifyAll方法来唤醒该线程。

wait(mills)
都是等待指定时间后自动苏醒，调用wait方法的当前线程会释放该同步监视器的锁定，可以不用notify或notifyAll方法把它唤醒。

notify()
唤醒在同步监视器上等待的单个线程，如果所有线程都在同步监视器上等待，则会选择唤醒其中一个线程，选择是任意性的，只有当前线程放弃对该同步监视器的锁定后，也就是使用wait方法后，才可以执行被唤醒的线程。

notifyAll()
唤醒在同步监视器上等待的所有的线程。只用当前线程放弃对该同步监视器的锁定后，也就是使用wait方法后,才可以执行被唤醒的线程。

注意，notify方法一定要在synchronized同步里面调用，还有做异常捕捉。

原子操作：根据Java规范，对于基本类型的赋值或者返回值操作，是原子操作。但这里的基本数据类型不包括long和double, 因为JVM看到的基本存储单位是32位，而long 和double都要用64位来表示。所以无法在一个时钟周期内完成。

自增操作（++）不是原子操作，因为它涉及到一次读和一次写。

原子操作：由一组相关的操作完成，这些操作可能会操纵与其它的线程共享的资源，为了保证得到正确的运算结果，一个线程在执行原子操作其间，应该采取其他的措施使得其他的线程不能操纵共享资源。

同步代码块：为了保证每个线程能够正常执行原子操作，Java引入了同步机制，具体的做法是在代表原子操作的程序代码前加上synchronized标记，这样的代码被称为同步代码块。

同步锁：每个JAVA对象都有且只有一个同步锁，在任何时刻，最多只允许一个线程拥有这把锁。

当一个线程试图访问带有synchronized(this)标记的代码块时，必须获得 this关键字引用的对象的锁，在以下的两种情况下，本线程有着不同的命运。
1、假如这个锁已经被其它的线程占用，JVM就会把这个线程放到本对象的锁池中。本线程进入阻塞状态。锁池中可能有很多的线程，等到其他的线程释放了锁，JVM就会从锁池中随机取出一个线程，使这个线程拥有锁，并且转到就绪状态。
2、假如这个锁没有被其他线程占用，本线程会获得这把锁，开始执行同步代码块。（一般情况下在执行同步代码块时不会释放同步锁，但也有特殊情况会释放对象锁如在执行同步代码块时，遇到异常而导致线程终止，锁会被释放；在执行代码块时，执行了锁所属对象的wait()方法，这个线程会释放对象锁，进入对象的等待池中）

线程同步的特征：
1、如果一个同步代码块和非同步代码块同时操作共享资源，仍然会造成对共享资源的竞争。因为当一个线程执行一个对象的同步代码块时，其他的线程仍然可以执行对象的非同步代码块。（所谓的线程之间保持同步，是指不同的线程在执行同一个对象的同步代码块时，因为要获得对象的同步锁而互相牵制）
2、每个对象都有唯一的同步锁
3、在静态方法前面可以使用synchronized修饰符。
4、当一个线程开始执行同步代码块时，并不意味着必须以不间断的方式运行，进入同步代码块的线程可以执行Thread.sleep()或执行Thread.yield()方法，此时它并不释放对象锁，只是把运行的机会让给其他的线程。
5、 Synchronized声明不会被继承，如果一个用synchronized修饰的方法被子类覆盖，那么子类中这个方法不在保持同步，除非用synchronized修饰。

释放对象的锁：
1、执行完同步代码块就会释放对象的锁
2、在执行同步代码块的过程中，遇到异常而导致线程终止，锁也会被释放
3、在执行同步代码块的过程中，执行了锁所属对象的wait()方法，这个线程会释放对象锁，进入对象的等待池。

死锁：
线程1独占（锁定）资源A，等待获得资源B后，才能继续执行
同时
线程2独占（锁定）资源B，等待获得资源A后，才能继续执行
这样就会发生死锁，程序无法正常执行

如何避免死锁
一个通用的经验法则是：当几个线程都要访问共享资源A、B、C 时，保证每个线程都按照同样的顺序去访问他们。

注意：
1、线程同步就是线程排队。同步就是排队。线程同步的目的就是避免线程“同步”执行。
2、只有共享资源的读写访问才需要同步。如果不是共享资源，那么就根本没有同步的必要。
3、只有“变量”才需要同步访问。如果共享的资源是固定不变的，那么就相当于“常量”，线程同时读取常量也不需要同步。至少一个线程修改共享资源，这样的情况下，线程之间就需要同步。
4、多个线程访问共享资源的代码有可能是同一份代码，也有可能是不同的代码；无论是否执行同一份代码，只要这些线程的代码访问同一份可变的共享资源，这些线程之间就需要同步。

5、我们要尽量避免这种直接把synchronized加在函数定义上的偷懒做法。因为我们要控制同步粒度。同步的代码段越小越好。synchronized控制的范围越小越好。

同步锁：
我们可以给共享资源加一把锁，这把锁只有一把钥匙。哪个线程获取了这把钥匙，才有权利访问该共享资源。
同步锁不是加在共享资源上，而是加在访问共享资源的代码段上。
访问同一份共享资源的不同代码段，应该加上同一个同步锁；如果加的是不同的同步锁，那么根本就起不到同步的作用，没有任何意义。
这就是说，同步锁本身也一定是多个线程之间的共享对象。

三、生产者消费者代码示例

产品仓库

package com.danxx.javalib2;

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;

/**
 * 数据存储仓库和操作
 * 一个缓冲区，缓冲区有最大限制，当缓冲区满
 * 的时候，生产者是不能将产品放入到缓冲区里面的，
 * 当然，当缓冲区是空的时候，消费者也不能从中拿出来产品，
 * 这就涉及到了在多线程中的条件判断
 * Created by dawish on 2017/7/13.
 */
public class Storage {
    
    private static volatile int goodNumber = 1;
    
    private final static int MAX_SIZE = 20;
    /**
     *  Queue操作解析：
     *  add       增加一个元索                 如果队列已满， 则抛出一个IIIegaISlabEepeplian异常
     *  remove    移除并返回队列头部的元素     如果队列为空， 则抛出一个NoSuchElementException异常
     *  element   返回队列头部的元素           如果队列为空， 则抛出一个NoSuchElementException异常
     *  offer     添加一个元素并返回true       如果队列已满， 则返回false
     *  poll      移除并返问队列头部的元素     如果队列为空， 则返回null
     *  peek      返回队列头部的元素           如果队列为空， 则返回null
     *  put       添加一个元素                 如果队列满，   则阻塞
     *  take      移除并返回队列头部的元素     如果队列为空， 则阻塞
     *
     */
    Queue<String> storage;
    public Storage() {
        storage = new LinkedList<String>();
    }

    /**
     *
     * @param dataValue
     */
    public synchronized void put(String dataValue, String threadName){
        if(storage.size() >= MAX_SIZE){
            try {
                goodNumber = 1;
                super.wait();  //当生产满了后让生产线程等待
                return;
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        storage.add(dataValue + goodNumber++);
        System.out.println(threadName + dataValue + goodNumber);
        super.notify();  //每次添加一个数据就唤醒一个消费等待的线程来消费
    }

    /**
     *
     * @return
     * @throws InterruptedException
     */
    public synchronized String get(String threadName) {
        if(storage.size() == 0){
            try {
                super.wait();  //当产品仓库为空的时候让消费线程等待
                System.out.println(threadName + "wait");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            return null;
        }
        super.notify();  //当数据不为空的时候就唤醒一个生产线程来生产
        String value = storage.remove();
        return value;
    }

}

生产者

package com.danxx.javalib2;

import java.util.UUID;

/**
 * 生产者
 * Created by dawish on 2017/7/13.
 */
public class Producer extends Thread{

    private Storage storage;//生产者仓库
    private String name="";
    
    public Producer(Storage storage, String name) {
        this.storage = storage;
        this.name = name;
    }
    public void run(){
        //生产者每隔1s生产1~100消息
        long oldTime = System.currentTimeMillis();
        while(true){
            synchronized(storage){
                if (System.currentTimeMillis() - oldTime >= 1000) {
                    oldTime = System.currentTimeMillis();
                    String msg = UUID.randomUUID().toString();
                    storage.put("-ID:" ,name);
                }
            }
        }
    }
}

消费者

package com.danxx.javalib2;

/**
 * 消费者
 * Created by dawish on 2017/7/13.
 */

public class Consumer extends Thread{

    private Storage storage;//仓库
    
    private String name="";
    
    public Consumer(Storage storage, String name) {
        this.storage = storage;
        this.name = name;
    }
    public void run(){
        while(true){
            synchronized(storage){
                //消费者去仓库拿消息的时候，如果发现仓库数据为空，则等待
                String data = storage.get(name);
                if(data != null){
                    
                    System.out.println(name +"-------------"+ data);
                    
                }
            }
        }
    }
}

main方法

package com.danxx.javalib2;

/**
 *  Java中的多线程会涉及到线程间通信，常见的线程通信方式，例如共享变量、管道流等，
 *  这里我们要实现生产者消费者模式，也需要涉及到线程通信，不过这里我们用到了java中的
 *  wait()、notify()方法：
 *  wait()：进入临界区的线程在运行到一部分后，发现进行后面的任务所需的资源还没有准备充分，
 *  所以调用wait()方法，让线程阻塞，等待资源，同时释放临界区的锁，此时线程的状态也从RUNNABLE状态变为WAITING状态；
 *  notify()：准备资源的线程在准备好资源后，调用notify()方法通知需要使用资源的线程，
 *  同时释放临界区的锁，将临界区的锁交给使用资源的线程。
 *  wait()、notify()这两个方法，都必须要在临界区中调用，即是在synchronized同步块中调用，
 *  不然会抛出IllegalMonitorStateException的异常。
 *  Created by dawish on 2017/7/14.
 */

public class MainApp {
    public static void main(String[] args) {
        Storage storage = new Storage();
        
        Producer producer1 = new Producer(storage, "Producer-1");
        Producer producer2 = new Producer(storage, "Producer-2");
        Producer producer3 = new Producer(storage, "Producer-3");
        Producer producer4 = new Producer(storage, "Producer-4");
        
        Consumer consumer1 = new Consumer(storage, "Consumer-1");
        Consumer consumer2 = new Consumer(storage, "Consumer-2");
        
        producer1.start();
        producer2.start();
        producer3.start();
        producer4.start();
        
        consumer1.start();
        consumer2.start();
    }
}

运行结果（4个生产者2个消费者）