Java 線程核心機制（五）：等待-通知模式深度解析與 Condition 進階

早期嘗試用 volatile boolean done 標記控制線程結束，雖可行但會導致 CPU 空轉（忙等待），浪費資源。Java 物件內建的 wait()/notify() 機制提供了高效的線程協作方案。

等待-通知機制本質

• 同步機制：需在 synchronized 方法/塊中調用
• 通信機制：線程間就「特定條件」進行信號傳遞
• 非替代品：不能替代 synchronized 解決競態條件，兩者配合使用

經典範例：動畫線程控制

private boolean done = true; // 無需 volatile，因同步塊保護

public synchronized void run() {
    while (true) {
        try {
            if (done) {
                wait(); // 條件不滿足，釋放鎖進入等待
            } else {
                repaint();
                wait(100); // 定時喚醒重繪
            }
        } catch (InterruptedException e) { return; }
    }
}

public synchronized void setDone(boolean b) {
    done = b;
    if (timer == null) { timer = new Thread(this); timer.start(); }
    if (!done) notify(); // 條件滿足，通知等待線程
}

關鍵細節深度剖析

為何用 wait() 而非 sleep()？

• wait() 釋放同步鎖，允許其他線程進入同步塊修改條件並調用 notify()
• sleep() 持有鎖不釋放 → setDone() 永無法獲取鎖 → 死鎖

run() 同步化的安全性

雖 run() 無限循環，但 wait() 釋放鎖，避免了「鎖永不釋放」的風險。

通知遺失問題

若 notify() 時無線程等待，通知丟失。後續 wait() 必須等待下一次通知 → 必須在循環中檢查條件。

競態條件與同步鎖

「檢查條件 → 調用 wait()」與「設置條件 → 調用 notify()」之間存在競態，必須在同一把鎖保護下完成，確保原子性。

虛假喚醒與多線程競爭

• 線程從 wait() 返回不保證條件成立，必須重新檢查條件（循環模式）
• 多線程等待同一條件時，notify() 隨機喚醒一個，其他線程需重新等待
• 若需喚醒所有等待線程，使用 notifyAll()（實際仍受鎖限制，同一時刻僅一線程執行）

獨立鎖對象模式：降低鎖競爭

private Object doneLock = new Object();

public void run() {
    synchronized (doneLock) {
        while (true) {
            if (done) doneLock.wait();
            else { repaint(); doneLock.wait(100); }
        }
    }
}

public void setDone(boolean b) {
    synchronized (doneLock) {
        done = b;
        if (!done) doneLock.notify();
    }
}

優勢：將「條件鎖」與「物件鎖」分離，提高並發吞吐。

JDK 5+ Condition 介面：更強大的等待-通知

private Lock lock = new ReentrantLock();
private Condition cv = lock.newCondition();

public void run() {
    lock.lock();
    try {
        while (true) {
            if (done) cv.await();
            else { nextCharacter(); cv.await(getPauseTime(), TimeUnit.MILLISECONDS); }
        }
    } catch (InterruptedException e) { return; }
    finally { lock.unlock(); }
}

public void setDone(boolean b) {
    lock.lock();
    try {
        done = b;
        if (!done) cv.signal();
    } finally { lock.unlock(); }
}

Condition 核心優勢

1. 綁定 Lock：Lock 內部已佔用 wait/notify，不可混用
2. 多條件變量：單一 Lock 可創建多個 Condition，實現精準喚醒（如「非空」與「非滿」分離）
3. 豐富 API：awaitUntil()、awaitNanos() 等支援絕對/相對超時，可中斷等待

本質上 Condition 復刻了 wait/notify 語義，但提供了更靈活的控制粒度與超時語義。