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Java多线程中如何实现线程通信_生产者消费者模型讲解

P粉602998670

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发布时间:2026-01-09 16:17:42

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来源于php中文网

原创

Java多线程通信应使用wait()/notify()或Lock+Condition配合共享状态,而非while(true)+sleep;因后者浪费CPU、响应延迟高、易错过唤醒,且无法精准定向通知。

java多线程中如何实现线程通信_生产者消费者模型讲解

Java 多线程中实现线程通信,核心不是靠“手动轮询”或“sleep 等待”,而是用 wait() / notify() 或更可靠的 Lock + Condition,配合共享状态(如队列)来协调生产与消费节奏。

为什么不能直接用 while(true) + sleep 模拟等待?

这种做法浪费 CPU、响应延迟高、无法精准唤醒——比如消费者刚睡着,生产者就塞进新数据,只能等下一轮醒来才发现,还可能错过唤醒信号。

真正有效的通信必须满足:等待时释放锁、被唤醒时重新竞争锁、唤醒动作能定向通知(而非广播惊群)

  • wait() 必须在 synchronized 块内调用,且会释放当前对象锁
  • notify() 只唤醒一个等待线程,但不保证是消费者;notifyAll() 更稳妥(尤其多个生产/消费者时)
  • 每次 wait() 返回后,必须重新检查条件(用 while 而非 if),防止虚假唤醒

用 synchronized + wait/notify 实现基础版

适用于简单场景,共享一个 ArrayList 或计数器,通过同一把锁(如 this 或队列对象)协调。

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public class SimplePC {
    private final List buffer = new ArrayList<>();
    private final int capacity = 5;

    public void produce(String item) throws InterruptedException {
        synchronized (this) {
            while (buffer.size() == capacity) {
                this.wait(); // 满了就等
            }
            buffer.add(item);
            System.out.println("Produced: " + item);
            this.notifyAll(); // 通知所有等待者(包括可能的消费者)
        }
    }

    public String consume() throws InterruptedException {
        synchronized (this) {
            while (buffer.isEmpty()) {
                this.wait(); // 空了就等
            }
            String item = buffer.remove(0);
            System.out.println("Consumed: " + item);
            this.notifyAll(); // 通知生产者可以继续
            return item;
        }
    }
}

⚠️ 注意:notifyAll() 是必须的;如果只用 notify(),在多消费者场景下可能唤醒另一个消费者,导致生产者永远没人通知。

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用 ReentrantLock + Condition 实现更灵活控制

当需要区分“生产等待队列”和“消费等待队列”时(比如避免 notifyAll 唤醒错角色),Condition 是唯一选择。

  • 一个 Lock 可绑定多个 Condition,例如 notFullnotEmpty
  • await() 对应 wait()signal() 对应 notify()signalAll() 对应 notifyAll()
  • 必须显式 lock().unlock(),推荐用 try-finally 保证释放
public class LockBasedPC {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition notEmpty = lock.newCondition();
    private final Condition notFull = lock.newCondition();
    private final List buffer = new ArrayList<>();
    private final int capacity = 5;

    public void produce(String item) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (buffer.size() == capacity) {
                notFull.await(); // 等待“不满”条件
            }
            buffer.add(item);
            notEmpty.signal(); // 唤醒一个消费者
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public String consume() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (buffer.isEmpty()) {
                notEmpty.await(); // 等待“非空”条件
            }
            String item = buffer.remove(0);
            notFull.signal(); // 唤醒一个生产者
            return item;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

实际项目中更推荐用 BlockingQueue

自己手写 wait/notify 容易出错(漏 notify、条件判断错、锁范围不对),JDK 提供的 ArrayBlockingQueueLinkedBlockingQueue 已经封装好线程安全与阻塞逻辑。

  • queue.put(item):满时自动阻塞,直到有空间
  • queue.take():空时自动阻塞,直到有元素
  • 内部使用 ReentrantLock + Condition,性能和可靠性都经过验证

绝大多数生产者-消费者场景,直接组合 ExecutorService + BlockingQueue 即可,无需手动管理 wait/notify。

真正容易被忽略的是:无论用哪种方式,**共享变量的可见性必须由同步机制保障**——没有锁或 volatile 修饰的 flag,另一线程永远看不到变化。这不是“逻辑问题”,是 JVM 内存模型决定的硬约束。

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