java并发等待条件的实现原理详解

作者:kgmucom   在线用户:35
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我们在当今软件开发中,需要经常接触到编程,理解和掌握并编写编程并不是像我们想象的那么容易,今天爱站技术频道小编将根据自身的学习和大家分享java并发等待条件的实现原理详解。

使用场景

为了更好的理解Lock和Condition的使用场景,下面我们先来实现这样一个功能:有多个生产者,多个消费者,一个产品容器,我们假设容器最多可以放3个产品,如果满了,生产者需要等待产品被消费,如果没有产品了,消费者需要等待。我们的目标是一共生产10个产品,最终消费10个产品,如何在多线程环境下完成这一挑战呢?下面是我简单实现的一个demo,仅供参考。

package com.lock.condition.test;
import java.util.LinkedList;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class LockConditionTest {
  // 生产 和 消费 的最大总数
  public static int totalCount = 10;
  // 已经生产的产品数
  public static volatile int hasProduceCount = 0;
  // 已经消费的产品数
  public static volatile int hasConsumeCount = 0;
  // 容器最大容量
  public static int containerSize = 3;
  // 使用公平策略的可重入锁,便于观察演示结果
  public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock(true);
  public static Condition notEmpty = lock.newCondition();
  public static Condition notFull = lock.newCondition();
  // 容器
  public static LinkedList<integer> container = new LinkedList<integer>();
  // 用于标识产品
  public static AtomicInteger idGenerator = new AtomicInteger();
  public static void main(String[] args) {
    Thread p1 = new Thread(new Producer(), "p-1");
    Thread p2 = new Thread(new Producer(), "p-2");
    Thread p3 = new Thread(new Producer(), "p-3");
    Thread c1 = new Thread(new Consumer(), "c-1");
    Thread c2 = new Thread(new Consumer(), "c-2");
    Thread c3 = new Thread(new Consumer(), "c-3");
    c1.start();
    c2.start();
    c3.start();
    p1.start();
    p2.start();
    p3.start();
    try{
      c1.join();
      c2.join();
      c3.join();
      p1.join();
      p2.join();
      p3.join();
    }catch(Exception e){
    }
    System.out.println(" done. ");
  }
  static class Producer implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
      while(true){
        lock.lock();
        try{
          // 容器满了,需要等待非满条件
          while(container.size() >= containerSize){
            notFull.await();
          }
          // 到这里表明容器未满,但需要再次判断是否已经完成了任务
          if(hasProduceCount >= totalCount){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" producer exit");
            return ;
          }
          int product = idGenerator.incrementAndGet();
          // 把生产出来的产品放入容器
          container.addLast(product);
          System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " product " + product);
          hasProduceCount++;
          // 通知消费线程可以去消费了
          notEmpty.signal();
        } catch (InterruptedException e) {
        }finally{
          lock.unlock();
        }
      }
    }
  }
  static class Consumer implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
      while(true){
        lock.lock();
        try{
          if(hasConsumeCount >= totalCount){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" consumer exit");
            return ;
          }
          // 一直等待有产品了,再继续往下消费
          while(container.isEmpty()){
            notEmpty.await(2, TimeUnit.SECONDS);
            if(hasConsumeCount >= totalCount){
              System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" consumer exit");
              return ;
            }
          }
          Integer product = container.removeFirst();
          System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " consume " + product);
          hasConsumeCount++;
          // 通知生产线程可以继续生产产品了
          notFull.signal();
        } catch (InterruptedException e) {
        }finally{
          lock.unlock();
        }
      }
    }
  }
}

一次执行结果如下:

p-1 product 1
p-3 product 2
p-2 product 3
c-3 consume 1
c-2 consume 2
c-1 consume 3
p-1 product 4
p-3 product 5
p-2 product 6
c-3 consume 4
c-2 consume 5
c-1 consume 6
p-1 product 7
p-3 product 8
p-2 product 9
c-3 consume 7
c-2 consume 8
c-1 consume 9
p-1 product 10
p-3 producer exit
p-2 producer exit
c-3 consume 10
c-2 consumer exit
c-1 consumer exit
p-1 producer exit
c-3 consumer exit
 done.

从结果可以发现已经达到我们的目的了。

深入理解Condition的实现原理

上面的示例只是为了展示 Lock结合Condition可以实现的一种经典场景,在有了感性的认识之后,我们将一步一步来观察Lock和Condition是如何协作完成这一任务的,这也是本篇的核心内容。

为了更好的理解和演示这一个过程,我们使用到的锁是使用公平策略模式的,我们会使用上面例子运作的流程。我们会使用到3个生产线程,3个消费线程,分别表示 p1、p2、p3和c1、c2、c3。

Condition的内部实现是使用节点链来实现的,每个条件实例对应一个节点链,我们有notEmpty 和 notFull 两个条件实例,所以会有两个等待节点链。

一切准备就绪 ,开始我们的探索之旅。

1、线程c3执行,然后发现没有产品可以消费,执行 notEmpty.await,进入等待队列中等候。

java并发等待条件的实现原理详解-第1张图片

2、线程c2和线程c1执行,然后发现没有产品可以消费,执行 notEmpty.await,进入等待队列中等候。

java并发等待条件的实现原理详解-第2张图片

3、 线程 p1 启动,得到了锁,p1开始生产产品,这时候p3抢在p2之前,执行了lock操作,结果p2和p3都处于等待状态,入同步队列等待。<喎�"/kf/ware/vc/" target="_blank" class="keylink">vcD4NCjxwPjxpbWcgYWx0PQ=="这里写图片描述" src="/uploadfile/Collfiles/20160912/20160912092710536.png" />

注意,本例中我们使用的是公平策略模式下的排它锁,由于p3抢先执行取锁操作,所以虽然p2和p3都被阻塞了,但是p3会优先被唤醒 。

4、这会,p1生产完毕,通知 not empty等待队列,可以唤醒一个等待线程节点了,然后释放了锁,释放锁会导致p3被唤醒,然后p1进入下一个循环,进入同步队列。

java并发等待条件的实现原理详解-第3张图片

事情开始变得有趣了,p1执行一次生产后,执行了 notEmpty.signal,其效果就是把 not empty等待列表中的头节点,即c3节点移到同步等待列队中,重新参与抢占锁。

5、p3生产完了产品后,继续notEmpty.signal,同时释放锁,释放锁后会唤醒p2线程,然后p3在下一轮尝试获取锁的时候,再次入队。

java并发等待条件的实现原理详解-第4张图片

6、接着,p2继续生产,生产后执行 notEmpty.signal,同时释放锁,释放锁后唤醒c3线程,然后p2在下一轮尝试取锁的时候,入列。

java并发等待条件的实现原理详解-第5张图片

7、c3进行消费,你可以看到,现在 not empty等待列队中已经没有等待节点了,由于我们使用的是公平策略排它锁,这就会导致同步队列中的节点一个接着一个执行,而目前同步队列中的节点排列为一生产,一消费,这不难可以知道,接下来代码已经不会进入 wait条件了,所以一个一个轮流执行就是,比如c3,执行完了,继续notFull.signal(); 然后释放锁,入队,这里要明白,notFull.signal();这句代码其实没有作用了,因为 not full等待队列中没有任何等待线程节点。 c3执行后,状态如下图所示:

java并发等待条件的实现原理详解-第6张图片

8、后面的事情我想大家都可以想得出来是怎样一步一步交替执行的了。

本文是爱站技术频道小编带给大家的java并发等待条件的实现原理详解,不管是什么学习,我们都需要有执行的流程,js.aizhan.com将持续为大家展现更多的专业知识。

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