Java 線程協作經典範例：wait/notify 實現交替打印

問題描述

兩個線程交替打印 1-100：線程 A 打印 1-10 → 通知線程 B → 線程 B 打印 1-10 → 通知線程 A → 線程 A 打印 11-20... 循環直至 100。

核心機制：對象鎖與等待隊列

• 每個 Java 對象關聯一把內部鎖和等待隊列
• synchronized 獲取鎖，執行同步代碼
• wait()：釋放鎖，進入等待隊列
• notify()：喚醒隊列中一個線程
• notifyAll()：喚醒所有等待線程

完整實現代碼

package jdeveloper.study;

public class DemoThread implements Runnable {
    private int current = 1;
    private final int MAX = 100;
    private final int STEP = 10;
    private boolean thread1Turn = true;

    public static void main(String[] args) {
        DemoThread demo = new DemoThread();
        new Thread(demo, "Thread-1").start();
        new Thread(demo, "Thread-2").start();
    }

    @Override
    public void run() {
        String name = Thread.currentThread().getName();
        
        while (true) {
            synchronized (this) {
                // 檢查是否輪到當前線程
                boolean myTurn = thread1Turn && name.equals("Thread-1") 
                                || !thread1Turn && name.equals("Thread-2");
                
                if (!myTurn) {
                    try {
                        wait();  // 釋放鎖並等待
                    } catch (InterruptedException e) {
                        Thread.currentThread().interrupt();
                        return;
                    }
                    continue;  // 被喚醒後重新檢查條件
                }

                // 執行打印任務
                for (int i = 0; i < STEP && current <= MAX; i++) {
                    System.out.println(name + ": " + current++);
                }

                // 切換輪次並通知另一線程
                thread1Turn = !thread1Turn;
                notify();  // 喚醒等待線程
                
                if (current > MAX) {
                    notifyAll();  // 確保另一線程也能退出
                    return;
                }
            }
        }
    }
}

關鍵設計要點

1. 共享狀態封裝

使用共享對象 this 作為鎖，封裝 current、thread1Turn 等協作狀態。

2. 等待條件循環檢查

while (!myTurn) {
    wait();
}

防止虛假喚醒，確保條件滿足才繼續執行。

3. 原子性操作

打印邏輯、狀態更新、通知操作在同一 synchronized 塊中，保證原子性。

4. 終止條件處理

當 current > MAX 時調用 notifyAll() 確保另一線程從 wait() 返回並檢查退出條件。

常見錯誤與避坑指南

擴展思考

• 多線程輪轉：使用 turn = (turn + 1) % N 擴展到 N 個線程
• 生產者-消費者模式：本質相同，緩衝隊列替換計數器
• 現代替代方案：Lock + Condition、Phaser、CompletableFuture 提供更高級抽象

掌握 wait/notify 機制是理解 Java 併發基石，雖然實際開發中推薦使用高級併發工具，但底層原理通用且面試必考。