Java中的wait()、notify()和notifyAll()方法详解

描述
wait()、notify()和notifyAll()是Java中用于线程间协作的底层机制，它们定义在Object类中，必须结合synchronized关键字使用。这些方法通过对象的监视器锁（Monitor）实现线程的等待与唤醒，常用于生产者-消费者模型或条件判断的场景。

1. 方法的基本作用

• wait()：当前线程释放锁并进入等待状态，直到其他线程调用同一对象的notify()或notifyAll()方法，或被中断。
• notify()：随机唤醒一个正在等待该对象锁的线程（多个等待线程时唤醒其中一个）。
• notifyAll()：唤醒所有正在等待该对象锁的线程，这些线程将竞争锁。

关键点：

• 调用这些方法前，线程必须持有该对象的监视器锁（即必须在synchronized代码块或方法内）。
• 调用wait()后，线程会释放锁，允许其他线程获取锁并执行。

2. 底层原理：监视器模型
每个Java对象都有一个关联的监视器锁（Monitor）和一个等待队列（Wait Set）。

• 当线程调用wait()时，会释放锁并进入等待队列。
• 当其他线程调用notify()时，JVM从等待队列中移出一个线程到入口队列（Entry Set），使其有机会重新竞争锁。
• 被唤醒的线程需要重新获取锁后才能继续执行。

3. 使用步骤示例（生产者-消费者模型）
以下代码展示一个简单的队列，当队列为空时消费者等待，队列满时生产者等待：

public class WaitNotifyExample {
    private final Queue<String> queue = new LinkedList<>();
    private final int MAX_SIZE = 5;

    public synchronized void produce(String item) throws InterruptedException {
        while (queue.size() == MAX_SIZE) {
            wait(); // 队列已满，生产者等待
        }
        queue.add(item);
        System.out.println("Produced: " + item);
        notifyAll(); // 唤醒所有等待线程（消费者或生产者）
    }

    public synchronized String consume() throws InterruptedException {
        while (queue.isEmpty()) {
            wait(); // 队列为空，消费者等待
        }
        String item = queue.poll();
        System.out.println("Consumed: " + item);
        notifyAll(); // 唤醒其他线程
        return item;
    }
}

步骤解析：

1. 生产者线程：
   • 获取锁后检查队列是否已满，若满则调用wait()释放锁并等待。
   • 生产数据后调用notifyAll()唤醒可能等待的消费者。
2. 消费者线程：
   • 获取锁后检查队列是否为空，若空则调用wait()释放锁并等待。
   • 消费数据后调用notifyAll()唤醒可能等待的生产者。

注意：

• 必须用while而非if检查条件，防止虚假唤醒（Spurious Wakeup）导致状态错误。
• 调用notifyAll()而非notify()可避免线程饥饿（如只唤醒同类线程）。

4. 常见问题与注意事项

• IllegalMonitorStateException异常：未在同步代码块中调用这些方法时抛出。
• 中断处理：wait()方法可能被interrupt()中断，需捕获InterruptedException。
• 超时等待：使用wait(long timeout)避免永久等待。
• 与Lock和Condition的对比：JUC中的Condition提供了更灵活的等待/唤醒机制（如多条件队列）。

5. 总结
wait()/notify()是Java多线程协作的基石，核心在于：

• 通过对象监视器锁实现线程同步；
• 用while循环避免虚假唤醒；
• 协调线程间状态依赖关系。
  掌握这些方法有助于理解更高级的并发工具（如BlockingQueue）的底层实现。