06 | 用“等待-通知”机制优化循环等待

05 | 一不小心就死锁了，怎么办？上篇文章中我们已经知道，在破坏占有且等待条件的时候，如果转出和转入账本不满足同时在文件架上时，就用死循环的方式来循环等待，核心代码如下：

// 一次性申请转出账户和转入账户，直到成功while(!actr.apply(this, target))  ；

如果 apply() 操作耗时非常短，并且并发冲突量也不大时，这个方案还可以接受，但是如果该方法操作耗时非常长，或者并发冲突量大的时候，循环等待这种方案就不适用了，因为在这种场景下，可能要循环上万次才能获取到锁，太消耗CPU 了。

其实在这种场景下，最好的方案应该是：如果线程要求的条件不满足，则线程阻塞自己，进入等待状态；当线程要求的条件满足后，通知等待的线程重新执行。其中，使用线程阻塞的方式就能避免循环等待消耗CPU 的问题。

完美的就医流程

在介绍 Java 如何支持等待 - 通知机制之前，我们先看一个现实世界里的就医流程，因为它有着完善的等待 - 通知机制，所以对比就医流程，我们能很好的理解和应用并发编程中的等待 - 通知机制。

就医流程基本上是这样的：

1. 患者先去挂号，然后到就诊门口就诊，等待叫号；

2. 当叫到自己的号时，患者可以找大夫就诊了；

3. 就诊过程中，大夫可能会让患者去做检查，同时叫下一位患者；

4. 当患者做完检查后，拿检测报告重新就诊，等待叫号；

5. 当大夫再次叫到自己号时，患者再去找大夫就诊。

或许你会发现这个有着完美的等待 - 通知机制的就医流程，不仅能保证同一时刻大夫只为一个患者服务，而且还能保证大夫和患者的效率，然而，这个就医流程忽视了等待 - 通知机制中的一些细节。

下面我们来对比一下前面都忽略了哪些细节：

1. 患者到就诊门口就诊，类似与线程要去获取互斥锁，当患者被叫到时，类似线程已经获取到了互斥锁了；

2. 大夫让患者去做检测，类似于线程要求的条件没有满足；

3. 患者去做检测，类似于线程就如等待状态；然后大夫叫下一个患者，这个步骤在前面的等待 - 通知机制中忽视了，这个步骤对应到程序中，本质是线程释放了持有的互斥锁；

4. 患者做完检查，类似于线程要求的条件已经满足；患者拿报告重新就诊，类似于线程需要重新获取互斥锁，这个步骤在前面的等待 - 通知机制中也忽略了。

综合一下，我们得出一个完整的等待 - 通知机制：线程首先获取互斥锁，当线程要求的条件不满足时，释放互斥锁，进入等待状态；当要求的条件满足时，通知等待的线程，重新获取互斥锁。

用 synchronized 实现等待 - 通知机制

在 Java 语言里，等待 -通知机制可以有多种实现方式，比如 Java 内置的 synchronized 配合 wait()、notify()、notifyAll()这三个方法就能轻松实现。

用 synchronized 实现互斥锁，我们应该很熟悉了，在下面这个图里，左边有一个等待队列，同一时刻，只允许一个线程进入 synchronized 保护的临界区（这个临界区可以看作大夫的诊室），当有一个线程进入临界区后，其他线程就只能进入图中左边的等待队列（相当于分诊等待）。这个等待队列和互斥锁是一对一的关系，每个互斥锁都有自己独立的等待队列。

在并发程序中，当一个线程进入临界区后，由于某些条件不满足时，需要进入等待状态，Java 对象的 wait() 方法就能满足这个需求。如上图，当调用 wait() 方法后，线程就会被阻塞，并且进入左边的等待队列中，这个等待队列也是互斥锁的等待队列。线程在进入等待队列的同时，会释放持有的互斥锁，线程释放锁后，其他线程就

此外，还有一个需要注意的点，被通知的线程要想重新执行，仍然需要获取到互斥锁（因为曾经获取的锁在调用 wait() 时已经释放了）。

上面我们一直强调调 wait()、notify()、notifyAll() 方法操作的等待队列是互斥锁的等待队列，所以如果 synchronized 锁定的是 this ，那么对于的一定是this.wait()、this.notify()、this.notifyAll()；而且 wait()、notify()、notifyAll() 这三个方法能够被调用的前提是获取了相应的互斥锁，所以我们发现 wait()、notify()、notifyAll() 都是在 synchronized 内部调用的。

小试牛刀：一个更好的资源分配器

等待 - 通知机制的基本原理清楚后，我们就来看看如何解决一次性申请转出和转入账户的问题吧。在等待 - 通知机制中，我们需要考虑四个要素：

1. 互斥锁：上一篇文章我们提到 Allocator 需要是单例的，所以我们可以用this 作为互斥锁；

2. 线程要求的条件：转出和转入账户都没有被分配过；

3. 何时等待：线程要求的条件不满足就等待；

4. 何时通知：当有线程释放账户时就通知。

class Allocator {  private List<Object> als;  // 一次性申请所有资源  synchronized void apply(    Object from, Object to){    // 经典写法    while(als.contains(from) ||         als.contains(to)){      try{        wait();      }catch(Exception e){      }       }     als.add(from);    als.add(to);    }  // 归还资源  synchronized void free(    Object from, Object to){    als.remove(from);    als.remove(to);    notifyAll();  }}

尽量使用 notifyAll()

上面的代码，使用的是 notifyAll() 来实现通知机制，为什么不使用 notify() 呢？这二者是有区别的，notify() 是会随机地通知等待队列中的一个线程，而 notifyAll() 会通知等待队列中所有线程，因为 notify() 只会通知一个线程，可以导致某些线程永远不会被通知到。

总结

等待 - 通知机制是一种非常普遍的线程间协作的方式，工作中经常看到使用轮训的方式来等待某种状态，其实很多时候都可以用到等待 - 通知机制来优化。

思考 

wait() 方法和sleep() 方法都能让当前线程挂起一段时间，那么它们的区别是什么？相同点：都会让渡CPU执行时间，等待再次调度。 

不同点： 

1、wait 会释放持有的锁，而sleep不会； 

2、wait 只能在同步方法和同步块中使用，而sleep 任何地方都可以使用； 

3、wait 需要被唤醒，而sleep 不用； 

4、wait 是 Object 的方法，而 sleep 是 Thread 的方法；wait 无需捕获异常，而 sleep 需要 捕获。

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