本教程深入探讨了在Java多线程环境中，如何使用`wait()`和`notifyAll()`机制实现并发消息发送与会话重连的同步控制。文章分析了共享资源访问中的常见陷阱，特别是`ArrayIndexOutOfBoundsException`的根源，并提供了基于`wait/notifyAll`的正确同步方案。此外，教程还介绍了`volatile`关键字的重要性以及`java.util.concurrent`包中更高级的并发工具，旨在帮助开发者构建健壮、高效的多线程应用。
理解Java中的wait()和notifyAll()机制
在Java中，wait()、notify()和notifyAll()是Object类提供的核心方法，用于线程间的协作。它们必须在synchronized代码块内部调用，并且作用于同一个锁对象。
- wait(): 使当前线程进入等待状态，并释放它所持有的锁。线程会一直等待，直到被其他线程调用notify()或notifyAll()唤醒，或者等待超时。被唤醒后，线程会尝试重新获取锁，然后从wait()方法返回。
- notify(): 唤醒在该锁对象上等待的单个线程。如果有多个线程在等待，JVM会选择其中一个进行唤醒，具体是哪一个线程是不确定的。
- notifyAll(): 唤醒在该锁对象上等待的所有线程。所有被唤醒的线程都会尝试重新获取锁，但只有一个线程能成功获取并继续执行。
这些机制是构建生产者-消费者模型或处理共享资源状态变化时不可或缺的工具。
场景描述：多线程消息发送与会话管理
设想一个场景：我们需要通过SMPP协议发送大量短信。存在多个“发送者”（Sender）线程并发地从一个共享的消息队列中取出消息并发送。同时，有一个独立的“会话管理器”（SessionProducer）线程负责维护SMPP会话的连接状态。当会话断开时，会话管理器需要重新建立连接，在此期间，所有发送者线程必须暂停发送。一旦会话恢复，发送者线程应继续工作。SMPPSession对象是所有线程共享的资源，其isBind()方法指示会话是否有效，reBind()方法用于重新建立会话。
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原始代码分析与问题识别
给定的原始代码尝试使用wait/notifyAll来协调发送者和会话管理器。然而，它存在一个关键的同步问题，导致了ArrayIndexOutOfBoundsException。
原始代码结构（简化）
// SMPPSession 类 (共享资源)
public class SMPPSession {
private boolean bind; // 会话绑定状态
public int sendMessage(String msg) { /* ... */ }
public void reBind() { /* ... */ this.bind = true; }
public boolean isBind() { return this.bind; }
}
// Sender 线程
public class Sender extends Thread {
private SMPPSession smppSession;
// ... 构造函数
@Override
public void run() {
while (!Client.messages.isEmpty()){ // 问题点1: 在同步块外部检查
synchronized (Client.messages){ // 锁定共享消息列表
if (smppSession.isBind()){
final String msg = Client.messages.remove(0); // 移除消息
// ... 发送消息
Client.messages.notifyAll(); // 问题点2: 在此调用notifyAll可能不合适
} else {
try {
Client.messages.wait(); // 等待会话恢复
} catch (InterruptedException e) { /* ... */ }
}
}
}
}
}
// SessionProducer 线程
public class SessionProducer extends Thread {
private SMPPSession smppSession;
// ... 构造函数
@Override
public void run() {
while (!Client.messages.isEmpty()){ // 问题点3: 生产者不应依赖消息列表是否为空
synchronized (Client.messages){ // 锁定共享消息列表
if (!smppSession.isBind()){
smppSession.reBind(); // 重新绑定
Client.messages.notifyAll(); // 唤醒所有等待线程
} else{
try {
Client.messages.wait(); // 等待会话断开
} catch (InterruptedException e) { /* ... */ }
}
}
}
}
}
// Client 类 (主程序)
public class Client {
public static final List messages = new CopyOnWriteArrayList<>(); // 共享消息列表
// ... main 方法启动线程
} 导致ArrayIndexOutOfBoundsException的原因
异常的根本原因在于Sender线程在synchronized (Client.messages)块外部执行了while (!Client.messages.isEmpty())检查。
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- 竞态条件: 假设Client.messages列表中还剩一条消息。
- 多个发送者线程: 多个Sender线程（例如Sender1, Sender2, Sender3, Sender4）同时检查!Client.messages.isEmpty()，都发现列表不为空，因此都尝试进入synchronized (Client.messages)块。
- 顺序执行: 线程会依次获取锁。假设Sender1首先获取锁。
- Sender1执行: Sender1进入同步块，检查smppSession.isBind()为真，然后成功执行Client.messages.remove(0)，将列表清空。它发送消息后，释放锁。
- 其他Sender线程: 紧接着，Sender2获取锁。当它进入同步块时，Client.messages已经为空。然而，它并没有再次检查isEmpty()，而是直接尝试执行Client.messages.remove(0)。由于列表已空，这将抛出ArrayIndexOutOfBoundsException。Sender3和Sender4也会遇到同样的问题。
此外，SessionProducer线程的while (!Client.messages.isEmpty())循环条件也不合理。作为会话管理器，它应该持续运行以监控和维护会话状态，而不是仅仅在消息队列不为空时才工作。
改进的同步方案
为了解决上述问题，我们需要确保所有对共享状态（smppSession.isBind()和Client.messages）的检查和修改都发生在同步块内部，并且使用while循环来包裹wait()调用，以处理虚假唤醒和条件变化。
1. SMPPSession的改进
为了确保bind状态的可见性，应将其声明为volatile。
public class SMPPSession {
private volatile boolean bind = false; // 初始化为false，并声明为volatile
private static final Random idGenerator = new Random();
public int sendMessage(String msg){
try{
Thread.sleep(1000L);
System.out.println("Sending message: " + msg);
return Math.abs(idGenerator.nextInt());
} catch (InterruptedException e){
Thread.currentThread().interrupt(); // 重新设置中断标志
e.printStackTrace();
}
return -1;
}
public void reBind(){
try{
System.out.println("Rebinding...");
Thread.sleep(1000L);
this.bind = true; // 更新绑定状态
System.out.println("Session established!");
} catch (InterruptedException e){
Thread.currentThread().interrupt(); // 重新设置中断标志
e.printStackTrace();
}
}
public boolean isBind(){
return this.bind;
}
}2. Sender线程的改进
Sender线程应该在获取锁后，在一个while循环中检查两个条件：会话是否绑定，以及消息队列是否为空。只有当这两个条件都满足时，才能尝试发送消息。
public class Sender extends Thread{
private SMPPSession smppSession;
public Sender(String name, SMPPSession smppSession){
this.setName(name);
this.smppSession = smppSession;
}
@Override
public void run(){
while (true){ // 持续运行，直到所有消息发送完毕或被中断
String msgToSend = null;
synchronized (Client.messages){ // 锁定共享消息列表
// 条件检查：会话未绑定 或 消息列表为空
while (!smppSession.isBind() || Client.messages.isEmpty()){
// 如果消息列表为空且会话已绑定，说明所有消息已发送，此发送者线程可以退出
if (Client.messages.isEmpty() && smppSession.isBind()){
System.out.println(getName() + " finished sending all messages. Terminating.");
return; // 退出线程
}
try {
System.out.println(getName() + " waiting. Bind status: " + smppSession.isBind() + ", Messages empty: " + Client.messages.isEmpty());
Client.messages.wait(); // 等待条件满足
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt(); // 重新设置中断标志
System.out.println(getName() + " interrupted while waiting. Terminating.");
return; // 退出线程
}
}
// 条件满足：会话已绑定且有消息可发送
msgToSend = Client.messages.remove(0); // 在同步块内安全移除消息
// 注意：这里不需要notifyAll，因为Sender线程移除消息不会改变SessionProducer的等待条件，
// 也不会让其他Sender线程立即从等待中恢复（除非它们也等待消息出现，但这里它们等待的是isBind和消息非空）
}
// 在同步块外部执行耗时的消息发送操作
final int msgId = smppSession.sendMessage(msgToSend);
System.out.println(getName() + " sent msg and received msgId: " + msgId);
}
}
}3. SessionProducer线程的改进
SessionProducer的主要职责是确保SMPPSession始终处于绑定状态。它应该持续运行，并在会话未绑定时进行重连。
public class SessionProducer extends Thread{
private SMPPSession smppSession;
public SessionProducer(String name, SMPPSession smppSession){
this.setName(name);
this.smppSession = smppSession;
}
@Override
public void run(){
while (true){ // 持续运行，监控并维护会话状态
synchronized (Client.messages){ // 锁定共享消息列表
// 条件检查：如果会话已绑定，则等待
while (smppSession.isBind()){
// 如果所有消息都已发送，且会话已绑定，SessionProducer可以等待新的消息出现或等待终止信号
// 暂时让它等待，因为它的核心职责是确保会话可用。
if (Client.messages.isEmpty()) {
System.out.println(getName() + " session is bound and messages are empty. Waiting for potential new messages or session break.");
} else {
System.out.println(getName() + 
