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关于java:面试官让我讲下线程的-WAITING-状态我笑了

jiezi

面试官 Q：你讲下线程状态中的 WAITING 状态，什么时候会处于这个状态？什么时候来到这个状态？

小菜 J 会心一笑 …

一个正在无限期期待另一个线程执行一个特地的动作的线程处于 WAITING 状态。

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

然而这里并没有具体阐明这个“特地的动作”到底是什么，具体定义还是看 javadoc（jdk8）：

一个线程进入 WAITING 状态是因为调用了以下办法：

  • 不带时限的 Object.wait 办法
  • 不带时限的 Thread.join 办法
  • LockSupport.park

而后会等其它线程执行一个特地的动作，比方：

  • 一个调用了某个对象的 Object.wait 办法的线程会期待另一个线程调用此对象的 Object.notify() 或 Object.notifyAll()。
  • 一个调用了 Thread.join 办法的线程会期待指定的线程完结。

对应的英文原文如下：

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.

线程间的合作（cooperate）机制

显然，WAITING 状态所波及的不是一个线程的独角戏，相同，它波及多个线程，具体地讲，这是多个线程间的一种 合作  机制。谈到线程咱们常常想到的是线程间的 竞争（race），比方去抢夺锁，但这并不是故事的全副，线程间也会有合作机制。

就好比在公司里你和你的共事们，你们可能存在在降职时的竞争，但更多时候你们更多是一起单干以实现某些工作。

wait/notify 就是线程间的一种合作机制，那么首先，为什么 wait？什么时候 wait？它为什么要等其它线程执行“特地的动作”？它到底解决了什么问题？

wait 的场景

首先，为什么要 wait 呢？简略讲，是因为 条件（condition） 不满足。那么什么是条件呢？为不便了解，咱们构想一个场景：

有一节列车车厢，有很多乘客，每个乘客相当于一个线程；外面有个厕所，这是一个公共资源，且一次只容许一个线程进去拜访（毕竟没人心愿在上厕所期间还与别人共享~）。

竞争关系

如果有多个乘客想同时上厕所，那么这里首先存在的是竞争的关系。

如果将厕所视为一个对象，它有一把锁，想上厕所的乘客线程须要先获取到锁，而后能力进入厕所。

Java 在语言级间接提供了同步的机制，也即是 synchronized 关键字：

synchronized(expression) {……}

它的机制是这样的：对表达式（expresssion）求值（值的类型须是援用类型（reference type）），获取它所代表的对象，而后尝试获取这个对象的锁：

  • 如果能获取锁，则进入同步块执行，执行完后退出同步块，并偿还对象的锁（异样退出也会偿还）；
  • 如果不能获取锁，则阻塞在这里，直到可能获取锁。

在一个线程还在厕所期间，其它同时想上厕所的线程被阻塞，处在该厕所对象的 entry set 中，处于 BLOCKED 状态。

完事之后，退出厕所，偿还锁。

之后，零碎再在 entry set 中筛选一个线程，将锁给到它。

对于以上过程，以下为一个 gif 动图演示：

当然，这就是咱们所相熟的锁的竞争过程。以下为演示的代码：

@Test
public void testBlockedState() throws Exception {
    class Toilet { // 厕所类
        public void pee() { // 尿尿办法
            try {Thread.sleep(21000);// 钻研表明，动物无论大小尿尿工夫都在 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();

    // 确保乘客 1 先启动
    Thread.sleep(100);

    passenger2.start();

    // 确保曾经执行了 run 办法
    Thread.sleep(100);

    // 在乘客 1 在厕所期间，乘客 2 处于 BLOCKED 状态
    assertThat(passenger2.getState()).isEqualTo(Thread.State.BLOCKED);
}

条件

当初，假如有个女乘客，她抢到了锁，进去之后裤子脱了一半，发现马桶的垫圈纸没了，于是回绝尿。

或者是因为她比拟讲究卫生，怕间接坐上去会弄脏她白花花的屁股~

当初，条件呈现了：有纸没纸，这就是某种条件。

那么，当初条件不满足，这位女线程改怎么办呢？如果只是在外面干等，显然是不行的。

这不就是人民大众所疾恶如仇的“占着茅坑不拉尿”吗？

  • 一方面，里面 entry set 中可能好多大众还嗷嗷待尿呢（其中可能有很多大老爷线程，他们才不在乎有没有马桶垫圈纸~）
  • 另一方面，假设里面同时有“乘务员线程”，筹备进去减少垫圈纸，可你在外面霸占着不进去，他人也没法进去，也就没法加纸。

所以，当条件不满足时，须要进去，要把锁还回去，以使得诸如“乘务员线程”的能进去减少纸张。

期待是必要的吗？

那么进去之后是否肯定须要期待呢？当然也未必。

这里所谓“期待”，指的是使线程处于不再流动的状态，即是从调度队列中剔除。

如果不期待，只是简略偿还锁，用一个重复的循环来判断条件是否满足，那么还是能够再次回到调度队列，而后期待在下一次被调度到的时候，可能条件曾经发生变化：

比方某个“乘务员线程”曾经在之前被调度并减少了外面的垫圈纸。天然，也可能再次调度到的时候，条件仍旧是不满足的。

当初让咱们思考一种比拟极其的状况：厕所外一大堆的“女乘客线程”想进去不便，同时还有一个着急的“乘务员线程”想进去减少厕纸。

如果线程都不期待，而厕所又是一个公共资源，无奈并发拜访。调度器每次挑一个线程进去，挑中“乘务员线程”的几率反而升高了，entry set 中很可能越聚越多无奈实现不便的“女乘客线程”，“乘务员线程”被选中执行的几率越发降落。

当然，同步机制会避免产生所谓的“饥饿（starvation）”景象，“乘务员线程”最终还是有机会执行的，只是零碎运行的效率降落了。

所以，这会烦扰失常工作的线程，挤占了资源，反而影响了本身条件的满足。另外，“乘务员线程”可能这段时间基本没有启动，此时，不愿期待的“女乘客线程”不过是徒劳地进进出出，占用了 CPU 资源却没有办成闲事。

成果上还是在这种没有停顿的进进出出中期待，这种情景相似于所谓的 忙期待（busy waiting）。

协作关系

综上，期待还是有必要的，咱们须要一种更高效的机制，也即是 wait/notify 的合作机制。

当条件不满足时，应该调用 wait()办法，这时线程开释锁，并进入所谓的 wait set 中，具体的讲，是进入这个厕所对象的 wait set 中：

这时，线程不再流动，不再参加调度，因而不会节约 CPU 资源，也不会去竞争锁了，这时的线程状态即是 WAITING。

当初的问题是：她们什么时候能力再次流动呢？显然，最佳的机会是当条件满足的时候。

之后，“乘务员线程”进去减少厕纸，当然，此时，它也不能只是简略加完厕纸就完了，它还要执行一个 特地的动作 ，也即是“ 告诉（notify）”在这个对象上期待的女乘客线程：

大略就是向她们喊一声：“有纸啦！连忙去尿吧！”显然，如果只是“女乘客线程”方面两厢情愿地期待，她们将没有机会再执行。

所谓“告诉”，也即是把她们从 wait set 中释放出来，从新进入到调度队列（ready queue）中。

  • 如果是 notify，则选取所告诉对象的 wait set 中的一个线程开释；
  • 如果是 notifyAll，则开释所告诉对象的 wait set 上的全副线程。

整个过程如下图所示：

对于上述过程，咱们也给出以下 gif 动图演示：

留神：哪怕只告诉了一个期待的线程，被告诉线程也不能立刻复原执行，因为她当初中断的中央是在同步块内，而此刻她曾经不持有锁，所以她须要再次尝试去获取锁（很可能面临其它线程的竞争），胜利后能力在当初调用 wait 办法之后的中央复原执行。（这也即是所谓的“reenter after calling Object.wait”）

  • 如果能获取锁，线程就从 WAITING 状态变成 RUNNABLE 状态；
  • 否则，从 wait set 进去，又进入 entry set，线程就从 WAITING 状态又变成 BLOCKED 状态。

综上，这是一个合作机制，“女乘客线程”和“乘务员线程”间存在一个协作关系。显然，这种协作关系的存在，“女乘客线程”能够防止在条件不满足时的自觉尝试，也为“乘务员线程”的顺利执行腾出了资源；同时，在条件满足时，又能及时失去告诉。协作关系的存在使得彼此都能受害。

生产者与消费者问题

不难发现，以上本质上也就是经典的“生产者与消费者”的问题：

乘务员线程生产厕纸，女乘客线程生产厕纸。当厕纸没有时（条件不满足），女乘客线程期待，乘务员线程增加厕纸（使条件满足），并告诉女乘客线程（解除她们的期待状态）。接下来，女乘客线程是否进一步执行则取决于锁的获取状况。

代码的演示：

在以下代码中，演示了上述的 wait/notify 的过程：

@Test
public void testWaitingState() throws Exception {

    class Toilet { // 厕所类
        int paperCount = 0; // 纸张

        public void pee() { // 尿尿办法
            try {Thread.sleep(21000);// 钻研表明，动物无论大小尿尿工夫都在 21 秒左右
            } catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}
        }
    }

    Toilet toilet = new Toilet();

    // 两乘客线程
    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(); // 条件不满足，期待
                        } catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}
                    }
                    toilet.paperCount--; // 应用一张纸
                    toilet.pee();}
            }
        });
    }

    // 乘务员线程
    Thread steward = new Thread(new Runnable() {public void run() {synchronized (toilet) {
                toilet.paperCount += 10;// 减少十张纸
                toilet.notifyAll();// 告诉所有在此对象上期待的线程}
        }
    });

    passengers[0].start();
    passengers[1].start();

    // 确保曾经执行了 run 办法
    Thread.sleep(100);

    // 没有纸，两线程均进入期待状态
    assertThat(passengers[0].getState()).isEqualTo(Thread.State.WAITING);
    assertThat(passengers[1].getState()).isEqualTo(Thread.State.WAITING);

    // 乘务员线程启动，救星来了
    steward.start();

    // 确保曾经减少纸张并已告诉
    Thread.sleep(100);

    // 其中之一会失去锁，并执行 pee，但无奈确定是哪个，所以用 "或 ||"
    // 注：因为 pee 办法中理论调用是 sleep，所以很快就从 RUNNABLE 转入 TIMED_WAITING(sleep 时对应的状态)
    assertTrue(Thread.State.TIMED_WAITING.equals(passengers[0].getState())
            || Thread.State.TIMED_WAITING.equals(passengers[1].getState()));

    // 其中之一则被阻塞，但无奈确定是哪个，所以用 "或 ||"
    assertTrue(Thread.State.BLOCKED.equals(passengers[0].getState()) || Thread.State.BLOCKED.equals(passengers[1].getState()));
}

join 场景及其它

从定义中可知，除了 wait/notify 外，调用 join 办法也会让线程处于 WAITING 状态。

join 的机制中并没有显式的 wait/notify 的调用，但能够视作是一种非凡的，隐式的 wait/notify 机制。

如果有 a，b 两个线程，在 a 线程中执行 b.join()，相当于让 a 去期待 b，此时 a 进行执行，等 b 执行完了，零碎外部会隐式地告诉 a，使 a 解除期待状态，复原执行。

换言之，a 期待的条件是“b 执行结束”，b 实现后，零碎会主动告诉 a。

对于 LockSupport.park 的状况则由读者自行剖析。

与传统 waiting 状态的关系

Thread.State.WAITING 状态与传统的 waiting 状态相似：

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