Java EE初阶——wait 和 notify

 1. 线程饥饿

线程饥饿是指一个或多个线程因长期无法获取所需资源（如锁，CPU时间等）而持续处于等待状态，导致其任务无法推进的现象。

典型场景

1. 优先级抢占：

   • 在支持线程优先级的系统中，高优先级线程可能持续抢占CPU资源

   • 导致低优先级线程长期无法获得CPU时间片

2. 不公平锁竞争：

   • 某些线程频繁获取锁，其他线程长期等待

   • 典型场景：某个线程释放锁后立即重新竞争并获得锁

   • 导致其他线程始终处于BLOCKED状态而无法执行

3. 资源分配不均：

   • 某些线程占用大量I/O或内存资源

   • 其他线程因资源不足而无法执行

4. 线程池配置不当：

   • 固定大小线程池中，长任务占用所有线程

   • 短任务无法得到执行机会

关键问题点

1. 锁获取模式问题：

   • 活跃线程释放锁后立即重新请求锁

   • 处于RUNNABLE状态的线程比BLOCKED状态的线程有更快的响应速度

   • 操作系统唤醒BLOCKED线程需要上下文切换，造成竞争劣势

2. 系统调度机制：

   • 默认调度策略可能不利于公平性

   • 缺乏有效的防饥饿机制

3. 线程状态转换开销：

   • BLOCKED→RUNNABLE状态转换需要系统介入

   • 这种转换比保持RUNNABLE状态有更高的延迟

2. wait 和 notify

wait/notify 的本质作用

• 应用层协作工具：wait() 和 notify() 是 Java 提供的应用层线程协作机制，用于控制线程对共享资源的访问顺序，而非直接干预操作系统的线程调度策略。
• 不改变调度规则：操作系统内核仍按自身调度算法（如轮转法、优先级调度）决定线程何时获得 CPU 时间，wait/notify 无法强制指定某个线程优先执行。

1. wait()⽅法

wait(); 内部做的三件事：

1. 立即释放锁，无需等待同步块结束

2. 线程状态变化：RUNNING → WAITING

3. 线程被唤醒后需重新获取锁，获取成功后从 wait() 调用处继续执行。WAITING→ BLOCKED（被唤醒后重新竞争锁）→ RUNNING。

线程状态变化后，其他线程就有机会获取锁。

wait() 方法的三种重载形式

方法	说明
wait()	使当前线程无限期等待，直到另一个线程调用 notify() 或 notifyAll() 方法
wait(long timeout)	指定一个超时时间，线程将在超时后自动被唤醒。线程也可以在超时前被 notify() 或 notifyAll() 方法唤醒。
wait(long timeout, int nanos)	提供更高精度的超时设置，总超时时间（以纳秒为单位）计算为 1_000_000*timeout + nanos

在 Java 中，调用 wait 方法的对象必须和锁对象一致，这是因为 wait 方法的行为是基于对象的监视器（锁）来实现的。以下是具体解释：

• 原理：当一个线程调用某个对象的 wait 方法时，该线程会释放它所持有的该对象的锁，并进入等待状态，直到其他线程调用同一个对象的 notify 或 notifyAll 方法来唤醒它。如果调用 wait 方法的对象与获取锁的对象不一致，那么线程在等待时就无法正确地与该锁关联，也就无法按照预期被唤醒，并且可能会导致程序出现逻辑错误。

2. notify()⽅法

方法	说明
notify()	唤醒等待该对象监视器的一个随机线程。选择唤醒哪个线程是非确定性的，取决于“随机调度”算法
notifyAll()	唤醒所有等待该对象监视器的线程。被唤醒的线程会和其他试图获取该对象锁的线程一起竞争锁

调用 notify() 或 notifyAll() 的对象必须与调用 wait() 的对象相同，并且它们必须与 synchronized 使用的锁对象一致，否则会抛出 IllegalMonitorStateException。

1. wait()、notify()、notifyAll() 必须由同一个对象调用。

2. 必须在 synchronized 块中使用，并且锁对象必须与调用 wait()/notify() 的对象一致。

每个 Java 对象都有一个监视器（monitor），也可以理解为锁。当一个线程进入synchronized代码块时，它会获取该代码块所关联对象的锁。wait方法会让当前线程释放这个锁，并进入等待状态，直到其他线程调用同一个对象的notify或notifyAll方法来唤醒它。而notify和notifyAll方法也需要在获取相同对象的锁之后才能调用，这样它们才能准确地唤醒在该对象上等待的线程。如果这三个对象不一致，就会破坏这种线程同步机制，导致程序出现不可预测的结果，例如线程无法被唤醒、死锁等问题。

wait()、notify() 和 notifyAll() 方法必须在 synchronized 修饰的代码块或方法中调用，否则会抛出 IllegalMonitorStateException。

1. 锁与等待队列的绑定

每个 Java 对象都有两个核心属性：

• 监视器锁（Monitor）：用于实现同步。
• 等待队列（Wait Set）：用于存储调用 wait() 的线程。

wait() 和 notify() 的操作对象是对象的等待队列，而等待队列的状态由锁来保护。因此，必须先获取锁才能操作等待队列。

2. 原子性与可见性保障

public class SynchronizedDomo8 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Object object = new Object();// 作为同步锁和 wait/notify 的监视器对象Thread t1 = new Thread(()->{synchronized (object){// 获取 object 的锁System.out.println("t1 线程之前");// ①try {//必须使用同一个对象调用object.wait();// ② 释放锁，进入WAITING状态} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}System.out.println("t1 线程之后");//  ⑦  被唤醒后重新获取锁，继续执行}});Thread t2 = new Thread(()->{try {Thread.sleep(2000);// ③ 休眠 2 秒，确保 t1 先执行并进入 wait()} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}synchronized (object){// 获取 object 的锁System.out.println("t2 线程之前");// ④//必须使用同一个对象调用object.notify();  // ⑤ 唤醒t1，但t2仍持有锁System.out.println("t2 线程之后");// ⑥ 同步块结束后释放锁}});t1.start();t2.start();}
}

执行步骤：

1. t1 进入 synchronized 块，获取 object 的锁。

2. 打印 "t1 线程之前"。

3. 调用 object.wait()：

   • 释放 object 的锁，t1 进入等待状态。

4. t2 先休眠 2 秒，确保 t1 先执行并进入 wait() 状态。

5. t2 进入 synchronized 块，获取 object 的锁。

6. 打印 "t2 线程之前"。

7. 调用 object.notify()：

   • 唤醒 t1（WAITING -> BLOCKED)，但 t1 不会立即执行，因为 t2 仍持有锁。

8. 打印 "t2 线程之后"，退出 synchronized 块，释放锁。

9. t1 重新获取锁，继续执行 "t1 线程之后"。

3. wait()、join()、sleep()方法的区别

方法	sleep()	join()	wait()
所属类	Thread类	Thread类	Object类
释放锁	❌	❌	✅
唤醒条件	时间到期	目标线程结束或超时	notify()/notifyAll()或超时
使用限制	可以直接调用	可以直接调用	必须在同步块中使用
抛出InterruptedException	✅	✅	✅
精度控制	毫秒（实际精度依赖操作系统）	毫秒+纳秒	毫秒+纳秒
线程状态变化	RUNNING → WAITING	RUNNING → TIMED_WAITING	RUNNING → WAITING/TIMED_WAITING