Java并发等待条件的实现原理详解

1. 背景

在多线程编程中，我们经常需要等待一些条件的发生。比如，我们要等待一个线程完成了某个操作之后才能进行下一步操作，或者等待某个变量的值发生变化之后才能继续执行。在这些情况下，我们需要使用一些同步工具来实现等待条件的功能。

一般情况下，我们使用的同步工具是 wait() 和 notify() 方法。这两个方法是 Java 中每个对象都有的方法，用于实现等待和通知的功能。但是，它们的使用需要遵循一定的规则，否则会出现一些问题。

本文将详细讲解Java并发等待条件的实现原理，并给出一些示例说明。

2. 等待条件的实现原理

在Java中，等待条件的实现依赖于对象的锁和等待队列。当一个线程需要等待某一个条件时，它需要先获得该对象的锁。然后，它将自己放入到该对象的等待队列中。在等待过程中，该线程会释放掉该对象的锁，进入等待状态。

当满足了某个条件时，该条件的通知者会通过该对象的锁来唤醒一个或多个在该对象的等待队列中等待的线程。被唤醒的线程将进入到锁阻塞状态，等待获取该对象的锁，然后再继续执行。

在等待条件的过程中，需要注意以下几点：

1. 等待条件的线程必须先获得该对象的锁，否则会抛出 IllegalMonitorStateException 异常。
2. 等待条件的线程必须放弃该对象的锁，否则通知线程将无法获取该对象的锁，导致无法唤醒等待条件的线程。这可以通过 wait() 方法实现。
3. 通知线程必须在持有该对象的锁的情况下进行通知，否则等待条件的线程将无法被正确唤醒。这可以通过 notify() 和 notifyAll() 方法实现。

3. 示例说明

下面给出两个示例说明。

3.1 等待和通知

下面的示例演示了如何使用 wait() 和 notify() 方法实现等待和通知：

public class WaitAndNotifyDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Object lock = new Object();
        Thread waitThread = new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                System.out.println("等待前...");
                try {
                    lock.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("等待后...");
            }
        });
        Thread notifyThread = new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                System.out.println("通知前...");
                lock.notify();
                System.out.println("通知后...");
            }
        });
        waitThread.start();
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        notifyThread.start();
    }
}

该示例中，创建了两个线程 waitThread 和 notifyThread。其中，waitThread 先启动，它在持有 lock 对象的锁的情况下等待条件的发生。notifyThread 后启动，它先获取 lock 对象的锁，然后发出一个通知。注意，在调用 notify() 方法之后，notifyThread 并没有立即释放 lock 对象的锁，而是在 synchronized 代码块内执行完毕之后才释放。

运行该示例，会输出以下结果：

等待前...
通知前...
通知后...
等待后...

该示例演示了一个简单的等待和通知过程。当 waitThread 开始执行时，它尝试获取 lock 对象的锁，并调用 wait() 方法，进入等待队列中等待被唤醒。当 notifyThread 执行 notify() 方法时，它也要获取 lock 对象的锁，这是为了保证它能正确地将等待 lock 对象的线程唤醒。

3.2 条件满足后的通知

下面的示例演示了如何使用 wait() 和 notify() 方法等待一个条件的发生，并在条件满足后进行通知：

public class ConditionNotifyDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Object lock = new Object();
        Thread waitThread = new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                System.out.println("等待前...");
                while (!isConditionTrue()) {
                    try {
                        lock.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                System.out.println("等待后...");
            }
        });
        Thread notifyThread = new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                System.out.println("条件改变前...");
                setConditionTrue();
                lock.notify();
                System.out.println("条件改变后...");
            }
        });
        waitThread.start();
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        notifyThread.start();
    }

    private static boolean condition = false;

    private static synchronized void setConditionTrue() {
        condition = true;
    }

    private static synchronized boolean isConditionTrue() {
        return condition;
    }
}

该示例中，创建了两个线程 waitThread 和 notifyThread。其中，waitThread 在等待 condition 变量的值变为 true 之后才能继续执行。notifyThread 在执行后将 condition 变量的值设置为 true，然后通知 waitThread 继续执行。

运行该示例，会输出以下结果：

等待前...
条件改变前...
条件改变后...
等待后...

该示例演示了如何等待一个条件的发生，然后在条件满足后进行通知。在示例中，等待线程在满足等待条件之前不断地进行等待，直到条件满足后才能继续执行。

4. 总结

本文详细讲解了 Java 并发等待条件的实现原理，通过示例演示了如何使用 wait() 和 notify() 方法实现等待和通知的功能，以及如何在条件满足后进行通知。在实际开发中，我们可以根据具体的需求进行选择，选择最合适的同步工具来实现等待条件的功能。