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线程通信

一. 传统的线程通信

Object类提供了三个方法由同步监视器调用。分为两种情况

  • 对于使用synchronized修饰的同步方法,因为该类的默认实例(this)就是同步监视器,所以可以在同步方法中直接调用这三个方法。
  • 对于使用synchronized修饰的同步代码块,同步监视器是synchronized后括号里的对象,所以必须使用该对象调用这三个方法。

关于这三个方法的解释如下:

  • wait():导致当前线程等待,知道其他线程调用该同步监视器的notify()方法或notifyAll()方法来唤醒该线程,该wait()方法有两种形式:无时间参数的wait(一直等待,直到其他线程通知);带时间参数的wait(等待指定时间后自动唤醒)。调用wait()方法的当前线程会释放对该同步监视器的锁定。
  • notify():唤醒此同步监视器上等待的单个线程。如果所有线程都在此同步监视器等待,则会任意唤醒其中一个线程。只有当前线程放弃对该同步监视器的锁定后(使用wait()方法),才可以执行被唤醒的线程。
  • notifyAll():唤醒此同步监视器上等待的所有线程。只有当前线程放弃对该同步监视器的锁定后(使用wait()方法),才可以执行被唤醒的线程。

下面程序示范了存钱,取钱的两个线程。存款者和取款者不断重复存款、取钱的操作,要求存款者将钱存入指定账户后,取钱者立即取出这笔钱。不允许存款者连续两次存款,不允许取钱者两次取钱。

package com.gdut.renentrantLock;

public class Account {
    private String accountNo;
    private double balance;
    //标识账户中是否有存款的旗标
    private boolean flag = false;
    public Account(){}

    public Account(String accountNo, double balance) {
        this.accountNo = accountNo;
        this.balance = balance;
    }
    //因为账户余额不允许修改,所以只提供getter方法
    public double getBalance(){
        return balance;
    }

    public synchronized void draw(double drawAmount){
        try {
            //如果flag为假,表明账户中还没有人存钱进去,取钱方法阻塞
            if (!flag) {
                wait();
            } else {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"取钱"+drawAmount);
                balance -= drawAmount;
                System.out.println("账户余额为:"+balance);
                flag = false;
                notifyAll();
            }
        }catch(InterruptedException ie){
            ie.printStackTrace();
        }
    }

    public synchronized void desposit(double depositAmount) {
        try {
            if (flag) {
                //如果flag为真,表明账户中已有人存钱进去,存钱方法阻塞
                wait();
            } else {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "存款" + depositAmount);
                balance += depositAmount;
                System.out.println("账户余额为:" + balance);
                flag = true;
                notifyAll();
            }
        } catch (InterruptedException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
package com.gdut.renentrantLock;

public class DrawThread extends Thread {
    private Account account;
    private double drawAmount;
    public DrawThread(String name,Account acount,double drawAmount){
        super(name);
        this.account = acount;
        this.drawAmount = drawAmount;
    }

    public void run(){
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            account.draw(drawAmount);
        }
    }
}
package com.gdut.renentrantLock;

public class DepositThread extends Thread{

        private Account account;
        private double depositAmount;
        public DepositThread(String name,Account acount,double depositAmount){
            super(name);
            this.account = acount;
            this.depositAmount = depositAmount;
        }

        public void run(){
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                account.desposit(depositAmount);
            }
        }


}
package com.gdut.renentrantLock;

public class DrawTest {
    public static void main(String[] args) {
        Account account = new Account("1234567",0);
        new DrawThread("取钱者",account,800).start();
        new DepositThread("存款者甲",account,800).start();
        new DepositThread("存款者乙",account,800).start();
        new DepositThread("存款者丙",account,800).start();
    }
}

效果如图:

从结果可以看出,程序最后被阻塞无法继续向下执行,这是因为3个取款者线程共有300次操作,而一个取款者只有100次取钱操作,所以程序最后被阻塞。

二. 使用Condition通信

当使用Lock对象来保证来保证同步时,Java提供了一个Condition类来保持协调,使用Condition可以让那些已经得到Lock对象却无法继续执行的线程释放Lock对象,Condition对象也可以唤醒其他处于等待的线程。

Condition将同步监视器方法(wait(),notify()和notifyAll())分解成截然不同的对象,以便通过将这些对象与Lock对象结合使用,为每个对象提供多个等待值(wait-set)。在这种情况下,Lock代替了同步方法或同步代码块,Condition替代了同步监视器的功能。

Condition实例被绑定在一个Lock对象上。要获得特定Lock实例的Condition实例,调用Lock对象的newCondition()方法即可,Condition对象提供了如下三个方法:

  • await():类似于隐式同步监视器的wait()方法,导致当前线程等待,直到其他线程调用该Condition的signal()方法或signalAll()方法来唤醒该线程。该await()方法有更多变体,如long awaitNanos(long nanosTimeout)、void awaitUninterruptibly()、awaitUntil(Date deadline)等,可以完成更丰富的等待操作。
  • signal():唤醒此Lock对象等待的单个线程。如果所有线程都在此Lock对象上等待,则会任意唤醒其中一个线程。只有当前线程放弃对该Lock对象的锁定后(使用await()方法),才可以执行被唤醒的线程
  • signalAll():唤醒此Lock对象等待的单个线程。只有当前线程放弃对该Lock对象的锁定后(使用await()方法),才可以执行被唤醒的线程

下面程序Account使用Lock对象来控制同步,并使用Condition对象来控制线程的协调运行。

package com.gdut.Condition;

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class Account {
    //显式定义Lock对象
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    //获得指定Lock对象的对应的Condition
    private final Condition cond= lock.newCondition();
    private String accountNo;
    private double balance;
    //标识账户中是否有存款的旗标
    private boolean flag = false;
    public Account(){}

    public Account(String accountNo, double balance) {
        this.accountNo = accountNo;
        this.balance = balance;
    }
    //因为账户余额不允许修改,所以只提供getter方法
    public double getBalance(){
        return balance;
    }

    public void draw(double drawAmount){
        //加锁
        lock.lock();
        try {
            // 如果flag为假,表明账户中还没有人存钱进去,取钱方法阻塞
            if (!flag) {
                cond.wait();
            } else {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"取钱"+drawAmount);
                balance -= drawAmount;
                System.out.println("账户余额为:"+balance);
                flag = false;
                cond.signalAll();
            }
        }catch(InterruptedException ie){
            ie.printStackTrace();
        }finally{
            lock.unlock();
        }
    }

    public  void desposit(double depositAmount) {
        //加锁
        lock.lock();
        try {
            if (flag) {
                //如果flag为真,表明账户中已有人存钱进去,存钱方法阻塞
                cond.await();
            } else {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "存款" + depositAmount);
                balance += depositAmount;
                System.out.println("账户余额为:" + balance);
                flag = true;
                cond.signalAll();
            }
        } catch (InterruptedException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }finally{
            lock.unlock();
        }
    }
}

该程序的其他类和执行效果完全跟上面一样。

三. 使用阻塞队列(BlockingQueue)控制线程通信

Java 5提供一个BlockingQueue接口,它是Queue的子接口,但它的主要用途并不是作为容器,而是作为线程同步的工具。BlockingQueue有一个特征:当生产者线程试图向BlockingQueue中放入元素时,如果该队列已满,则该线程被阻塞;当消费者线程试图从BlockingQueue中取出元素时,如果该队列已满,则该线程被阻塞。

程序的两个线程通过交替向BlockingQueue中放入元素、取出元素,则可很好的控制线程的通信。

BlockingQueue提供如下两个支持阻塞的方法:

  • put(E e):尝试把e元素放入BlockingQueue中,如果该队列的元素已满,则阻塞该线程。
  • take():尝试从BlockingQueue的头部取出元素,如果该队列的元素已空,则阻塞该线程。

BlockingQueue继承了Queue接口,也可以使用Queue的方法,归纳为三类

  • 在队列尾部插入元素。包括add(E e)、offer(E e)和put(E e)方法,当该队列以满时,这三个方法分别会抛出异常、返回法false、阻塞队列。
  • 在队列头部删除并返回删除的元素。包括remove()、poll()、和take()方法当该队已空时,这三个方法分别会抛出异常、返回法false、阻塞队列。
  • 在队列头部取出但不删除元素。包括element()和peek()方法,当队列已空时,这两个方法分别抛出异常、返回false。

对应关系如下:

BlockingQueue包含的方法之间的对应关系
  抛出异常 不同返回值 阻塞线程 指定头时时长
队尾插入元素 add(E e) offer(E e) put(E e) offer(e,time,unit)
队头删除元素 remove() poll() take() poll(time,unit)
获取、不删除元素 element() peek()

BlockingQueue有5个实现类。

  • ArrayBlockingQueue:基于数组实现的BlockingQueue队列
  • LinkkedBlockingQueue:基于链表实现的BlockingQueue队列
  • PriorityBlockingQueue:并不是标准的阻塞队列,该队列调用方法取出元素时,是取出队列中最小的元素,可使用Comparator定制排序。
  • SynchronousQueue:同步队列。对该队列的存取操作必须交替执行。
  • DelayQueue:它是一个特殊的BlockingQueue,底层基于PriorityBlockingQueue实现。不过,DelayQueue要求集合元素都实现Delay接口(该接口里只有一个long getDelay()方法),DelayQueue根据集合元素的getDelay()方法的返回值进行排序。

下面以ArrayBlockingQueue为例介绍阻塞队列的功能和用法。

package com.gdut.thread.blockingqueue;

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;

class Producer extends Thread{
    private BlockingQueue<String> bq;
    public Producer(BlockingQueue<String> bq){
        this.bq = bq;
    }

    @Override
    public void run() {
        String[] strArr = new String[]{"java","Struts","Spring"};
        for (int i = 0; i < 99 i++) {
            System.out.println("生产者准备生产集合元素!");
            try {
                Thread.sleep(200);
                //尝试放入元素,如果队列已满,则线程被阻塞
                bq.put(strArr[i%3]);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(getName()+"生产完成:"+bq);
        }
    }
}

class Consummer extends Thread{
    private BlockingQueue<String> bq;
    public Consummer(BlockingQueue<String> bq){
        this.bq = bq;
    }

    @Override
    public void run() {
        while(true) {
            System.out.println("消费者准备消费集合元素!");
            try {
                Thread.sleep(200);
                bq.take();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println(getName()+"消费完成:"+bq);
        }
    }
}

public class BlockingqueueTest {
    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<String> bq = new ArrayBlockingQueue<>(1);
        //启动三个生产者线程
        new Producer(bq).start();
        new Producer(bq).start();
        new Producer(bq).start();
        //启动一个消费者线程
        new Consummer(bq).start();
    }
}

可以看出,只要一个线程向该队列放入元素,其他生产者线程就必须等待,等待消费者线程取出队列里的元素