轉載自??面試官讓我講下線程的WAITING狀態(tài)，我笑了

面試官Q：你講下線程狀態(tài)中的WAITING狀態(tài)，什么時候會處于這個狀態(tài)？什么時候離開這個狀態(tài)？

小菜J 會心一笑...

一個正在無限期等待另一個線程執(zhí)行一個特別的動作的線程處于WAITING狀態(tài)。

A thread that is waiting indefinitely for another thread to perform a particular action is in this state.

然而這里并沒有詳細說明這個“特別的動作”到底是什么，詳細定義還是看 javadoc（jdk8）：

一個線程進入 WAITING 狀態(tài)是因為調用了以下方法：

• 不帶時限的 Object.wait 方法

• 不帶時限的 Thread.join 方法

• LockSupport.park

然后會等其它線程執(zhí)行一個特別的動作，比如：

• 一個調用了某個對象的 Object.wait 方法的線程會等待另一個線程調用此對象的 Object.notify() 或 Object.notifyAll()。

• 一個調用了 Thread.join 方法的線程會等待指定的線程結束。

對應的英文原文如下：

A thread is in the waiting state due to calling one of the following methods:

• Object.wait?with no timeout

• Thread.join?with no timeout

• LockSupport.park

A thread in the waiting state is waiting for another thread to perform a particular action. For example, a thread that has called Object.wait() on an object is waiting for another thread to call Object.notify() or Object.notifyAll() on that object. A thread that has called Thread.join() is waiting for a specified thread to terminate.

線程間的協(xié)作（cooperate）機制

顯然，WAITING 狀態(tài)所涉及的不是一個線程的獨角戲，相反，它涉及多個線程，具體地講，這是多個線程間的一種協(xié)作機制。談到線程我們經常想到的是線程間的競爭（race），比如去爭奪鎖，但這并不是故事的全部，線程間也會有協(xié)作機制。

就好比在公司里你和你的同事們，你們可能存在在晉升時的競爭，但更多時候你們更多是一起合作以完成某些任務。

wait/notify 就是線程間的一種協(xié)作機制，那么首先，為什么 wait？什么時候 wait？它為什么要等其它線程執(zhí)行“特別的動作”？它到底解決了什么問題？

wait 的場景

首先，為什么要 wait 呢？簡單講，是因為條件（condition）不滿足。那么什么是條件呢？為方便理解，我們設想一個場景：

有一節(jié)列車車廂，有很多乘客，每個乘客相當于一個線程；里面有個廁所，這是一個公共資源，且一次只允許一個線程進去訪問（畢竟沒人希望在上廁所期間還與他人共享~）。

競爭關系

假如有多個乘客想同時上廁所，那么這里首先存在的是競爭的關系。

如果將廁所視為一個對象，它有一把鎖，想上廁所的乘客線程需要先獲取到鎖，然后才能進入廁所。

Java 在語言級直接提供了同步的機制，也即是 synchronized 關鍵字：

synchronized(expression) {……}

它的機制是這樣的：對表達式（expresssion）求值（值的類型須是引用類型（reference type）），獲取它所代表的對象，然后嘗試獲取這個對象的鎖：

• 如果能獲取鎖，則進入同步塊執(zhí)行，執(zhí)行完后退出同步塊，并歸還對象的鎖（異常退出也會歸還）；

• 如果不能獲取鎖，則阻塞在這里，直到能夠獲取鎖。

在一個線程還在廁所期間，其它同時想上廁所的線程被阻塞，處在該廁所對象的 entry set 中，處于 BLOCKED 狀態(tài)。

完事之后，退出廁所，歸還鎖。

之后，系統(tǒng)再在 entry set 中挑選一個線程，將鎖給到它。

對于以上過程，以下為一個 gif 動圖演示：

當然，這就是我們所熟悉的鎖的競爭過程。以下為演示的代碼：

@Test

public void testBlockedState() throws Exception {

class Toilet { // 廁所類

public void pee() { // 尿尿方法

try {

Thread.sleep(21000);// 研究表明，動物無論大小尿尿時間都在21秒左右

} catch (InterruptedException e) {

Thread.currentThread().interrupt();

}

}

}

?

Toilet toilet = new Toilet();

?

Thread passenger1 = new Thread(new Runnable() {

public void run() {

synchronized (toilet) {

toilet.pee();

}

}

});

?

Thread passenger2 = new Thread(new Runnable() {

public void run() {

synchronized (toilet) {

toilet.pee();

}

}

});

?

passenger1.start();

?

// 確保乘客1先啟動

Thread.sleep(100);

?

passenger2.start();

?

// 確保已經執(zhí)行了 run 方法

Thread.sleep(100);

?

// 在乘客1在廁所期間，乘客2處于 BLOCKED 狀態(tài)

assertThat(passenger2.getState()).isEqualTo(Thread.State.BLOCKED);

}

條件

現在，假設有個女乘客，她搶到了鎖，進去之后褲子脫了一半，發(fā)現馬桶的墊圈紙沒了，于是拒絕尿。

或許是因為她比較講究衛(wèi)生，怕直接坐上去會弄臟她白花花的屁股~

現在，條件出現了：有紙沒紙，這就是某種條件。

那么，現在條件不滿足，這位女線程改怎么辦呢？如果只是在里面干等，顯然是不行的。

這不就是人民群眾所深惡痛絕的“占著茅坑不拉尿”嗎？

• 一方面，外面 entry set 中可能好多群眾還嗷嗷待尿呢（其中可能有很多大老爺線程，他們才不在乎有沒有馬桶墊圈紙~）

• 另一方面，假定外面同時有“乘務員線程”，準備進去增加墊圈紙，可你在里面霸占著不出來，別人也沒法進去，也就沒法加紙。

所以，當條件不滿足時，需要出來，要把鎖還回去，以使得諸如“乘務員線程”的能進去增加紙張。

等待是必要的嗎？

那么出來之后是否一定需要等待呢？當然也未必。

這里所謂“等待”，指的是使線程處于不再活動的狀態(tài)，即是從調度隊列中剔除。

如果不等待，只是簡單歸還鎖，用一個反復的循環(huán)來判斷條件是否滿足，那么還是可以再次回到調度隊列，然后期待在下一次被調度到的時候，可能條件已經發(fā)生變化：

比如某個“乘務員線程”已經在之前被調度并增加了里面的墊圈紙。自然，也可能再次調度到的時候，條件依舊是不滿足的。

現在讓我們考慮一種比較極端的情況：廁所外一大堆的“女乘客線程”想進去方便，同時還有一個焦急的“乘務員線程”想進去增加廁紙。

如果線程都不等待，而廁所又是一個公共資源，無法并發(fā)訪問。調度器每次挑一個線程進去，挑中“乘務員線程”的幾率反而降低了，entry set 中很可能越聚越多無法完成方便的“女乘客線程”，“乘務員線程”被選中執(zhí)行的幾率越發(fā)下降。

當然，同步機制會防止產生所謂的“饑餓（starvation）”現象，“乘務員線程”最終還是有機會執(zhí)行的，只是系統(tǒng)運行的效率下降了。

所以，這會干擾正常工作的線程，擠占了資源，反而影響了自身條件的滿足。另外，“乘務員線程”可能這段時間根本沒有啟動，此時，不愿等待的“女乘客線程”不過是徒勞地進進出出，占用了 CPU 資源卻沒有辦成正事。

效果上還是在這種沒有進展的進進出出中等待，這種情形類似于所謂的忙等待 （busy waiting）。

協(xié)作關系

綜上，等待還是有必要的，我們需要一種更高效的機制，也即是 wait/notify 的協(xié)作機制。

當條件不滿足時，應該調用 wait()方法，這時線程釋放鎖，并進入所謂的 wait set 中，具體的講，是進入這個廁所對象的 wait set 中：

這時，線程不再活動，不再參與調度，因此不會浪費 CPU 資源，也不會去競爭鎖了，這時的線程狀態(tài)即是 WAITING。

現在的問題是：她們什么時候才能再次活動呢？顯然，最佳的時機是當條件滿足的時候。

之后，“乘務員線程”進去增加廁紙，當然，此時，它也不能只是簡單加完廁紙就完了，它還要執(zhí)行一個特別的動作，也即是“通知（notify）”在這個對象上等待的女乘客線程：

大概就是向她們喊一聲：“有紙啦！趕緊去尿吧！”顯然，如果只是“女乘客線程”方面一廂情愿地等待，她們將沒有機會再執(zhí)行。

所謂“通知”，也即是把她們從 wait set 中釋放出來，重新進入到調度隊列（ready queue）中。

• 如果是 notify，則選取所通知對象的 wait set 中的一個線程釋放；

• 如果是 notifyAll，則釋放所通知對象的 wait set 上的全部線程。

整個過程如下圖所示：

對于上述過程，我們也給出以下 gif 動圖演示：

注意：哪怕只通知了一個等待的線程，被通知線程也不能立即恢復執(zhí)行，因為她當初中斷的地方是在同步塊內，而此刻她已經不持有鎖，所以她需要再次嘗試去獲取鎖（很可能面臨其它線程的競爭），成功后才能在當初調用 wait 方法之后的地方恢復執(zhí)行。（這也即是所謂的 “reenter after calling Object.wait”）

• 如果能獲取鎖，線程就從 WAITING 狀態(tài)變成 RUNNABLE 狀態(tài)；

• 否則，從 wait set 出來，又進入 entry set，線程就從 WAITING 狀態(tài)又變成 BLOCKED 狀態(tài)。

綜上，這是一個協(xié)作機制，“女乘客線程”和“乘務員線程”間存在一個協(xié)作關系。顯然，這種協(xié)作關系的存在，“女乘客線程”可以避免在條件不滿足時的盲目嘗試，也為“乘務員線程”的順利執(zhí)行騰出了資源；同時，在條件滿足時，又能及時得到通知。協(xié)作關系的存在使得彼此都能受益。

生產者與消費者問題

不難發(fā)現，以上實質上也就是經典的“生產者與消費者”的問題：

乘務員線程生產廁紙，女乘客線程消費廁紙。當廁紙沒有時（條件不滿足），女乘客線程等待，乘務員線程添加廁紙（使條件滿足），并通知女乘客線程（解除她們的等待狀態(tài)）。接下來，女乘客線程能否進一步執(zhí)行則取決于鎖的獲取情況。

代碼的演示：

在以下代碼中，演示了上述的 wait/notify 的過程：

@Test

public void testWaitingState() throws Exception {

?

class Toilet { // 廁所類

int paperCount = 0; // 紙張

?

public void pee() { // 尿尿方法

try {

Thread.sleep(21000);// 研究表明，動物無論大小尿尿時間都在21秒左右

} catch (InterruptedException e) {

Thread.currentThread().interrupt();

}

}

}

?

Toilet toilet = new Toilet();

?

// 兩乘客線程

Thread[] passengers = new Thread[2];

for (int i = 0; i < passengers.length; i++) {

passengers[i] = new Thread(new Runnable() {

public void run() {

synchronized (toilet) {

while (toilet.paperCount < 1) {

try {

toilet.wait(); // 條件不滿足，等待

} catch (InterruptedException e) {

Thread.currentThread().interrupt();

}

}

toilet.paperCount--; // 使用一張紙

toilet.pee();

}

}

});

}

?

// 乘務員線程

Thread steward = new Thread(new Runnable() {

public void run() {

synchronized (toilet) {

toilet.paperCount += 10;// 增加十張紙

toilet.notifyAll();// 通知所有在此對象上等待的線程

}

}

});

?

passengers[0].start();

passengers[1].start();

?

// 確保已經執(zhí)行了 run 方法

Thread.sleep(100);

?

// 沒有紙，兩線程均進入等待狀態(tài)

assertThat(passengers[0].getState()).isEqualTo(Thread.State.WAITING);

assertThat(passengers[1].getState()).isEqualTo(Thread.State.WAITING);

?

// 乘務員線程啟動，救星來了

steward.start();

?

// 確保已經增加紙張并已通知

Thread.sleep(100);

?

// 其中之一會得到鎖，并執(zhí)行 pee，但無法確定是哪個，所以用 "或 ||"

// 注：因為 pee 方法中實際調用是 sleep， 所以很快就從 RUNNABLE 轉入 TIMED_WAITING(sleep 時對應的狀態(tài))

assertTrue(Thread.State.TIMED_WAITING.equals(passengers[0].getState())

|| Thread.State.TIMED_WAITING.equals(passengers[1].getState()));

?

// 其中之一則被阻塞，但無法確定是哪個，所以用 "或 ||"

assertTrue(

Thread.State.BLOCKED.equals(passengers[0].getState()) || Thread.State.BLOCKED.equals(passengers[1].getState()));

}

join場景及其它

從定義中可知，除了 wait/notify 外，調用 join 方法也會讓線程處于 WAITING 狀態(tài)。

join 的機制中并沒有顯式的 wait/notify 的調用，但可以視作是一種特殊的，隱式的 wait/notify 機制。

假如有 a，b 兩個線程，在 a 線程中執(zhí)行 b.join()，相當于讓 a 去等待 b，此時 a 停止執(zhí)行，等 b 執(zhí)行完了，系統(tǒng)內部會隱式地通知 a，使 a 解除等待狀態(tài)，恢復執(zhí)行。

換言之，a 等待的條件是 “b 執(zhí)行完畢”，b 完成后，系統(tǒng)會自動通知 a。

關于 LockSupport.park 的情況則由讀者自行分析。

與傳統(tǒng) waiting 狀態(tài)的關系

Thread.State.WAITING 狀態(tài)與傳統(tǒng)的 waiting 狀態(tài)類似：

總結

以上是生活随笔為你收集整理的面试官让我讲下线程的WAITING状态，我笑了的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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