Java多线程与高并发专题——Condition 和 wait/notify的关系

引入

上一篇关于Condition，我们对Condition有了进一步了解，在之前生产/消费者模式一文，我们讲过如何用 Condition 和 wait/notify 来实现生产者/消费者模式，其中的精髓就在于用Condition 和 wait/notify 来实现简易版阻塞队列，我们先来分别回顾一下这两段代码。

用 Condition 实现简易版阻塞队列

代码如下所示：

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/*** 一个使用 Condition 实现的阻塞队列类。* 该类提供了一个线程安全的队列，支持在队列满时阻塞插入操作，* 在队列空时阻塞移除操作。*/
public class MyBlockingQueueForCondition {// 存储元素的队列private Queue queue;// 队列的最大容量private int max = 16;// 用于线程同步的可重入锁private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();// 当队列不为空时的条件private Condition notEmpty = lock.newCondition();// 当队列不为满时的条件private Condition notFull = lock.newCondition();/*** 构造函数，初始化队列的最大容量。* * @param size 队列的最大容量*/public MyBlockingQueueForCondition(int size){this.max = size;queue = new LinkedList();}/*** 向队列中插入一个元素。* 如果队列已满，线程将被阻塞，直到队列有空间。* * @param o 要插入的元素* @throws InterruptedException 如果线程在等待时被中断*/public void put(Object o) throws InterruptedException {// 获取锁lock.lock();try {// 当队列已满时，线程等待while (queue.size() == max) {notFull.await();}// 向队列中添加元素queue.add(o);// 通知所有等待队列不为空的线程notEmpty.signalAll();} finally {// 释放锁lock.unlock();}}/*** 从队列中移除并返回一个元素。* 如果队列为空，线程将被阻塞，直到队列中有元素。* * @return 队列中的第一个元素* @throws InterruptedException 如果线程在等待时被中断*/public Object take() throws InterruptedException {// 获取锁lock.lock();try {// 当队列为空时，线程等待while (queue.size() == 0) {notEmpty.await();}// 从队列中移除并获取元素Object item = queue.remove();// 通知所有等待队列不为满的线程notFull.signalAll();return item;} finally {// 释放锁lock.unlock();}}
}

在上面的代码中，首先定义了一个队列变量 queue，其最大容量是 16；然后定义了一个ReentrantLock 类型的 Lock 锁，并在 Lock 锁的基础上创建了两个 Condition，一个是 notEmpty，另一个是 notFull，分别代表队列没有空和没有满的条件；最后，声明了 put 和 take 这两个核心方法。

用 wait/notify 实现简易版阻塞队列

我们再来看看如何使用 wait/notify 来实现简易版阻塞队列，代码如下：

import java.util.LinkedList;
/*** 自定义阻塞队列类，使用 wait() 和 notifyAll() 方法实现线程同步。*/
public class MyBlockingQueueForWaitNotify {/*** 队列的最大容量*/private int maxSize;/*** 存储队列元素的链表*/private LinkedList<Object> storage;/*** 构造函数，初始化队列的最大容量和存储链表。** @param size 队列的最大容量*/public MyBlockingQueueForWaitNotify (int size) {// 将传入的最大容量赋值给类的成员变量this.maxSize = size;// 初始化存储链表storage = new LinkedList<>();}/*** 向队列中添加一个元素。如果队列已满，则线程进入等待状态。** @throws InterruptedException 如果线程在等待过程中被中断*/public synchronized void put() throws InterruptedException {// 当队列已满时，当前线程进入等待状态while (storage.size() == maxSize) {this.wait();}// 向队列中添加一个新元素storage.add(new Object());// 唤醒所有等待的线程this.notifyAll();}/*** 从队列中取出一个元素。如果队列为空，则线程进入等待状态。** @throws InterruptedException 如果线程在等待过程中被中断*/public synchronized void take() throws InterruptedException {// 当队列为空时，当前线程进入等待状态while (storage.size() == 0) {this.wait();}// 从队列中移除并打印第一个元素System.out.println(storage.remove());// 唤醒所有等待的线程this.notifyAll();}
}

如代码所示，最主要的部分仍是 put 与 take 方法。我们先来看 put 方法，该方法被 synchronized 保护，while 检查 List 是否已满，如果不满就往里面放入数据，并通过 notifyAll() 唤醒其他线程。同样，take 方法也被 synchronized 修饰，while 检查 List 是否为空，如果不为空则获取数据并唤醒其他线程。

在生产/消费者模式中，有对这两段代码的详细讲解，遗忘的小伙伴可以到前面复习一下。

Condition 和 wait/notify的关系

对比上面两种实现方式的 put 方法，会发现非常类似，此时让我们把这两段代码同时列在屏幕中，然后进行对比：

public void put(Object o) throws InterruptedException {lock.lock();try {while (queue.size() == max) {notFull.await();}queue.add(o);notEmpty.signalAll();} finally {lock.unlock();}
}

public synchronized void put() throws InterruptedException {while (storage.size() == maxSize) {this.wait();}storage.add(new Object()); this.notifyAll();
}

可以看出，左侧是 Condition 的实现，右侧是 wait/notify 的实现：

• lock.lock() 对应进入 synchronized 方法
• condition.await() 对应 object.wait()
• condition.signalAll() 对应 object.notifyAll()
• lock.unlock() 对应退出 synchronized 方法

实际上，如果说 Lock 是用来代替 synchronized 的，那么 Condition 就是用来代替相对应的 Object 的wait/notify/notifyAll，所以在用法和性质上几乎都一样。

Condition 把 Object 的 wait/notify/notifyAll 转化为了一种相应的对象，其实现的效果基本一样，但是把更复杂的用法，变成了更直观可控的对象方法，是一种升级。

await 方法会自动释放持有的 Lock 锁，和 Object 的 wait 一样，不需要自己手动释放锁。

另外，调用 await 的时候必须持有锁，否则会抛出异常，这一点和 Object 的 wait 一样。

总结

Condition 是对 wait/notify 的改进和扩展，提供了更高的灵活性和可读性。如果需要更复杂的线程通信机制，建议使用 Condition；如果场景简单，可以继续使用 wait/notify。

下面我们梳理总结一下，核心异同，以及各自适用场景：

相似点

目的相同：两者都是用于实现线程间的通信和同步。它们允许一个线程等待某个条件满足，然后由另一个线程通知它条件已经满足，从而继续执行。

等待和通知机制：都涉及线程进入等待状态，然后被其他线程通知唤醒。在等待期间，线程会释放锁，以便其他线程可以进入同步块修改共享状态。

线程通信：两者都用于线程间的通信，允许线程等待或唤醒其他线程。

需要锁：两者都需要与锁配合使用，wait/notify 依赖 synchronized，而 Condition 依赖 Lock。

不同点

适用场景

wait/notify：适用于简单的线程通信场景。

在 Java 中，wait、notify和notifyAll是Object类的方法。当一个线程调用一个对象的wait方法时，它会进入等待状态，直到另一个线程调用同一个对象的notify或notifyAll方法。通常在使用synchronized关键字实现同步的时候使用。例如，一个线程在同步块中调用wait方法等待某个条件，另一个线程在同步块中改变了这个条件后调用notify或notifyAll方法通知等待的线程。

Condition：适用于复杂的线程通信场景，尤其是需要多个条件变量的场景。

在 Java 中，Condition是在java.util.concurrent.locks包下的一个接口，它是对传统的对象监视器方法（如wait、notify和notifyAll）的一种替代，用于更灵活地实现线程间的通信和等待。通常在使用ReentrantLock实现同步的时候，配合Condition来实现线程间的等待和通知。比如，当一个线程需要等待某个条件满足时，它可以调用Condition的await方法进入等待状态，直到另一个线程调用signal或signalAll方法来通知它条件已经满足。