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線程間的協作（cooperate）機制
面試官Q：你講下線程狀態中的WAITING狀態，什麼時候會處於這個狀態？什麼時候離開這個狀態？
小菜J 會心一笑…
一個正在無限期等待另一個線程執行一個特別的動作的線程處於WAITING狀態。
A thread that is waiting indefinitely for another thread to perform a particular action is in this state.
然而這裡並沒有詳細說明這個“特別的動作”到底是什麼，詳細定義還是看 javadoc（jdk8）：
一個線程進入 WAITING 狀態是因為調用了以下方法：
不帶時限的 Object.wait 方法
不帶時限的 Thread.join 方法
LockSupport.park
然後會等其它線程執行一個特別的動作，比如：
一個調用了某個對象的 Object.wait 方法的線程會等待另一個線程調用此對象的 Object.notify() 或 Object.notifyAll()。
一個調用了 Thread.join 方法的線程會等待指定的線程結束。
對應的英文原文如下：
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.
線程間的協作（cooperate）機制
顯然，WAITING 狀態所涉及的不是一個線程的獨角戲，相反，它涉及多個線程，具體地講，這是多個線程間的一種協作機制。談到線程我們經常想到的是線程間的競爭（race），比如去爭奪鎖，但這並不是故事的全部，線程間也會有協作機制。
就好比在公司裡你和你的同事們，你們可能存在在晉升時的競爭，但更多時候你們更多是一起合作以完成某些任務。
wait/notify 就是線程間的一種協作機制，那麼首先，為什麼 wait？什麼時候 wait？它為什麼要等其它線程執行“特別的動作”？它到底解決了什麼問題？
wait 的場景
首先，為什麼要 wait 呢？簡單講，是因為條件（condition）不滿足。那麼什麼是條件呢？為方便理解，我們設想一個場景：
有一節列車車廂，有很多乘客，每個乘客相當於一個線程；裡面有個廁所，這是一個公共資源，且一次只允許一個線程進去訪問（畢竟沒人希望在上廁所期間還與他人共享~）。
競爭關係
假如有多個乘客想同時上廁所，那麼這裡首先存在的是競爭的關係。
如果將廁所視為一個對象，它有一把鎖，想上廁所的乘客線程需要先獲取到鎖，然後才能進入廁所。
Java 在語言級直接提供了同步的機制，也即是 synchronized 關鍵字：
synchronized(expression) {……}
它的機制是這樣的：對錶達式（expresssion）求值（值的類型須是引用類型（reference type）），獲取它所代表的對象，然後嘗試獲取這個對象的鎖：
如果能獲取鎖，則進入同步塊執行，執行完後退出同步塊，並歸還對象的鎖（異常退出也會歸還）；
如果不能獲取鎖，則阻塞在這裡，直到能夠獲取鎖。
在一個線程還在廁所期間，其它同時想上廁所的線程被阻塞，處在該廁所對象的 entry set 中，處於 BLOCKED 狀態。
完事之後，退出廁所，歸還鎖。
之後，系統再在 entry set 中挑選一個線程，將鎖給到它。
對於以上過程，以下為一個 gif 動圖演示：
當然，這就是我們所熟悉的鎖的競爭過程。以下為演示的代碼：
@Test
public void testBlockedState() throws Exception {
class Toilet { // 廁所類
public void pee() { // 尿尿方法
try {
Thread.sleep(21000);// 研究表明，動物無論大小尿尿時間都在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();
// 確保乘客1先啟動
Thread.sleep(100);
passenger2.start();
// 確保已經執行了 run 方法
Thread.sleep(100);
// 在乘客1在廁所期間，乘客2處於 BLOCKED 狀態
assertThat(passenger2.getState()).isEqualTo(Thread.State.BLOCKED);
}
條件
現在，假設有個女乘客，她搶到了鎖，進去之後褲子脫了一半，發現馬桶的墊圈紙沒了，於是拒絕尿。
或許是因為她比較講究衛生，怕直接坐上去會弄髒她白花花的屁股~
現在，條件出現了：有紙沒紙，這就是某種條件。
那麼，現在條件不滿足，這位女線程改怎麼辦呢？如果只是在裡面乾等，顯然是不行的。
這不就是人民群眾所深惡痛絕的“佔著茅坑不拉尿”嗎？
一方面，外面 entry set 中可能好多群眾還嗷嗷待尿呢（其中可能有很多大老爺線程，他們才不在乎有沒有馬桶墊圈紙~）
另一方面，假定外面同時有“乘務員線程”，準備進去增加墊圈紙，可你在裡面霸佔著不出來，別人也沒法進去，也就沒法加紙。
所以，當條件不滿足時，需要出來，要把鎖還回去，以使得諸如“乘務員線程”的能進去增加紙張。
#
等待是必要的嗎？
那麼出來之後是否一定需要等待呢？當然也未必。
這裡所謂“等待”，指的是使線程處於不再活動的狀態，即是從調度隊列中剔除。
如果不等待，只是簡單歸還鎖，用一個反覆的循環來判斷條件是否滿足，那麼還是可以再次回到調度隊列，然後期待在下一次被調度到的時候，可能條件已經發生變化：
比如某個“乘務員線程”已經在之前被調度並增加了裡面的墊圈紙。自然，也可能再次調度到的時候，條件依舊是不滿足的。
現在讓我們考慮一種比較極端的情況：廁所外一大堆的“女乘客線程”想進去方便，同時還有一個焦急的“乘務員線程”想進去增加廁紙。
如果線程都不等待，而廁所又是一個公共資源，無法併發訪問。調度器每次挑一個線程進去，挑中“乘務員線程”的幾率反而降低了，entry set 中很可能越聚越多無法完成方便的“女乘客線程”，“乘務員線程”被選中執行的幾率越發下降。
當然，同步機制會防止產生所謂的“飢餓（starvation）”現象，“乘務員線程”最終還是有機會執行的，只是系統運行的效率下降了。
所以，這會干擾正常工作的線程，擠佔了資源，反而影響了自身條件的滿足。另外，“乘務員線程”可能這段時間根本沒有啟動，此時，不願等待的“女乘客線程”不過是徒勞地進進出出，佔用了 CPU 資源卻沒有辦成正事。
效果上還是在這種沒有進展的進進出出中等待，這種情形類似於所謂的忙等待 （busy waiting）。
協作關係
綜上，等待還是有必要的，我們需要一種更高效的機制，也即是 wait/notify 的協作機制。
當條件不滿足時，應該調用 wait()方法，這時線程釋放鎖，並進入所謂的 wait set 中，具體的講，是進入這個廁所對象的 wait set 中：
這時，線程不再活動，不再參與調度，因此不會浪費 CPU 資源，也不會去競爭鎖了，這時的線程狀態即是 WAITING。
現在的問題是：她們什麼時候才能再次活動呢？顯然，最佳的時機是當條件滿足的時候。
之後，“乘務員線程”進去增加廁紙，當然，此時，它也不能只是簡單加完廁紙就完了，它還要執行一個特別的動作，也即是“通知（notify）”在這個對象上等待的女乘客線程：
大概就是向她們喊一聲：“有紙啦！趕緊去尿吧！”顯然，如果只是“女乘客線程”方面一廂情願地等待，她們將沒有機會再執行。
所謂“通知”，也即是把她們從 wait set 中釋放出來，重新進入到調度隊列（ready queue）中。
如果是 notify，則選取所通知對象的 wait set 中的一個線程釋放；
如果是 notifyAll，則釋放所通知對象的 wait set 上的全部線程。
整個過程如下圖所示：
對於上述過程，我們也給出以下 gif 動圖演示：
注意：哪怕只通知了一個等待的線程，被通知線程也不能立即恢復執行，因為她當初中斷的地方是在同步塊內，而此刻她已經不持有鎖，所以她需要再次嘗試去獲取鎖（很可能面臨其它線程的競爭），成功後才能在當初調用 wait 方法之後的地方恢復執行。（這也即是所謂的 “reenter after calling Object.wait”）
如果能獲取鎖，線程就從 WAITING 狀態變成 RUNNABLE 狀態；
否則，從 wait set 出來，又進入 entry set，線程就從 WAITING 狀態又變成 BLOCKED 狀態。
綜上，這是一個協作機制，“女乘客線程”和“乘務員線程”間存在一個協作關係。顯然，這種協作關係的存在，“女乘客線程”可以避免在條件不滿足時的盲目嘗試，也為“乘務員線程”的順利執行騰出了資源；同時，在條件滿足時，又能及時得到通知。協作關係的存在使得彼此都能受益。
生產者與消費者問題
不難發現，以上實質上也就是經典的“生產者與消費者”的問題：
乘務員線程生產廁紙，女乘客線程消費廁紙。當廁紙沒有時（條件不滿足），女乘客線程等待，乘務員線程添加廁紙（使條件滿足），並通知女乘客線程（解除她們的等待狀態）。接下來，女乘客線程能否進一步執行則取決於鎖的獲取情況。
代碼的演示：
在以下代碼中，演示了上述的 wait/notify 的過程：
@Test
public void testWaitingState() throws Exception {
class Toilet { // 廁所類
int paperCount = 0; // 紙張
public void pee() { // 尿尿方法
try {
Thread.sleep(21000);// 研究表明，動物無論大小尿尿時間都在21秒左右
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
}
Toilet toilet = new Toilet();
// 兩乘客線程
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(); // 條件不滿足，等待
} catch (InterruptedException e) {
Thread.currentThread().interrupt();
}
}
toilet.paperCount--; // 使用一張紙
toilet.pee();
}
}
});
}
// 乘務員線程
Thread steward = new Thread(new Runnable() {
public void run() {
synchronized (toilet) {
toilet.paperCount += 10;// 增加十張紙
toilet.notifyAll();// 通知所有在此對象上等待的線程
}
}
});
passengers[0].start();
passengers[1].start();
// 確保已經執行了 run 方法
Thread.sleep(100);
// 沒有紙，兩線程均進入等待狀態
assertThat(passengers[0].getState()).isEqualTo(Thread.State.WAITING);
assertThat(passengers[1].getState()).isEqualTo(Thread.State.WAITING);
// 乘務員線程啟動，救星來了
steward.start();
// 確保已經增加紙張並已通知
Thread.sleep(100);
// 其中之一會得到鎖，並執行 pee，但無法確定是哪個，所以用 "或 ||"
// 注：因為 pee 方法中實際調用是 sleep， 所以很快就從 RUNNABLE 轉入 TIMED_WAITING(sleep 時對應的狀態)
assertTrue(Thread.State.TIMED_WAITING.equals(passengers[0].getState())
|| Thread.State.TIMED_WAITING.equals(passengers[1].getState()));
// 其中之一則被阻塞，但無法確定是哪個，所以用 "或 ||"
assertTrue(
Thread.State.BLOCKED.equals(passengers[0].getState()) || Thread.State.BLOCKED.equals(passengers[1].getState()));
}
join場景及其它
從定義中可知，除了 wait/notify 外，調用 join 方法也會讓線程處於 WAITING 狀態。
join 的機制中並沒有顯式的 wait/notify 的調用，但可以視作是一種特殊的，隱式的 wait/notify 機制。
假如有 a，b 兩個線程，在 a 線程中執行 b.join()，相當於讓 a 去等待 b，此時 a 停止執行，等 b 執行完了，系統內部會隱式地通知 a，使 a 解除等待狀態，恢復執行。
換言之，a 等待的條件是 “b 執行完畢”，b 完成後，系統會自動通知 a。
關於 LockSupport.park 的情況則由讀者自行分析。
與傳統 waiting 狀態的關係
Thread.State.WAITING 狀態與傳統的 waiting 狀態類似：
結語
就以這段話自勉、共勉吧。越努力、越幸運，如果你不是官二代、富二代、紅二代，那麼請記住：勤奮才是改變你命運的唯一捷徑。
更多分享目前國內公司Java面試常問的問題，包含了15個模塊：Java基礎/語法、String相關、集合、多線程、IO流、網絡編程、異常處理、Web方面相關、設計模式、高級框架、微服務框架、數據庫、JVM、Linux操作、算法分析及手寫代碼。如下圖所示：
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