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线程间的通信及生产者消费者模型

2018-02-05

线程间的通信及生产者消费者模型。在前面我们讲了很多关于同步的问题,然而在现实中,需要线程之间的协作。比如说最经典的生产者-消费者模型:当队列满时,生产者需要等待队列有空间才能继续往里面放入商品,而在等待的期间内,生产者必须释放对临界资源(即队列)的占用权。

线程间的通信与生产者消费者模型

在前面我们讲了很多关于同步的问题,然而在现实中,需要线程之间的协作。比如说最经典的生产者-消费者模型:当队列满时,生产者需要等待队列有空间才能继续往里面放入商品,而在等待的期间内,生产者必须释放对临界资源(即队列)的占用权。因为生产者如果不释放对临界资源的占用权,那么消费者就无法消费队列中的商品,就不会让队列有空间,那么生产者就会一直无限等待下去。因此,一般情况下,当队列满时,会让生产者交出对临界资源的占用权,并进入挂起状态。然后等待消费者消费了商品,然后消费者通知生产者队列有空间了。同样地,当队列空时,消费者也必须等待,等待生产者通知它队列中有商品了。这种互相通信的过程就是线程间的协作。

Java中线程协作有最常见的两种方式:1)利用Object.wait()、Object.notify();2)使用Condition

wait()、notify()和notifyAll()

wait()、notify()和notifyAll()是Object类中的方法:

/**
 * Wakes up a single thread that is waiting on this object's
 * monitor. If any threads are waiting on this object, one of them
 * is chosen to be awakened. The choice is arbitrary and occurs at
 * the discretion of the implementation. A thread waits on an object's
 * monitor by calling one of the wait methods
 */
public final native void notify();

/**
 * Wakes up all threads that are waiting on this object's monitor. A
 * thread waits on an object's monitor by calling one of the
 * wait methods.
 */
public final native void notifyAll();

/**
 * Causes the current thread to wait until either another thread invokes the
 * {@link java.lang.Object#notify()} method or the
 * {@link java.lang.Object#notifyAll()} method for this object, or a
 * specified amount of time has elapsed.
 * 

* The current thread must own this object's monitor. */ public final native void wait(long timeout) throws InterruptedException;

从这三个方法的文字描述可以知道以下几点信息:

1)wait()、notify()和notifyAll()方法是本地方法,并且为final方法,无法被重写。

2)调用某个对象的wait()方法能让当前线程阻塞,并且当前线程必须拥有此对象的monitor(即锁)。如果在调用wait()时,没有持有适当的锁,则抛出IllegalMonitorStateException,它是RuntimeException的一个子类。

3)调用某个对象的notify()方法能够唤醒一个正在等待这个对象的monitor的线程,如果有多个线程都在等待这个对象的monitor,则只能唤醒其中一个线程;如果在调用notify()时没有持有适当的锁,也会抛出IllegalMonitorStateException。

4)调用notifyAll()方法能够唤醒所有正在等待这个对象的monitor的线程;

上面已经提到,如果调用某个对象的wait()方法,当前线程必须拥有这个对象的monitor(即锁),因此调用wait()方法必须在同步块或者同步方法中进行(synchronized块或者synchronized方法)。

调用某个对象的wait()方法,相当于让当前线程交出此对象的monitor,然后进入等待状态,等待后续再次获得此对象的锁(Thread类中的sleep方法使当前线程暂停执行一段时间,从而让其他线程有机会继续执行,但它并不释放对象锁);

notify()方法能够唤醒一个正在等待该对象的monitor的线程,当有多个线程都在等待该对象的monitor的话,则只能唤醒其中一个线程,具体唤醒哪个线程则不得而知。

同样地,调用某个对象的notify()方法,当前线程也必须拥有这个对象的monitor,因此调用notify()方法必须在同步块或者同步方法中进行(synchronized块或者synchronized方法)。

nofityAll()方法能够唤醒所有正在等待该对象的monitor的线程,这一点与notify()方法是不同的。

这里要注意一点:notify()和notifyAll()方法只是唤醒等待该对象的monitor的线程,并不决定哪个线程能够获取到monitor。

举个简单的例子:假如有三个线程Thread1、Thread2和Thread3都在等待对象objectA的monitor,此时Thread4拥有对象objectA的monitor,当在Thread4中调用objectA.notify()方法之后,Thread1、Thread2和Thread3只有一个能被唤醒。注意,被唤醒不等于立刻就获取了objectA的monitor。假若在Thread4中调用objectA.notifyAll()方法,则Thread1、Thread2和Thread3三个线程都会被唤醒,至于哪个线程接下来能够获取到objectA的monitor就具体依赖于操作系统的调度了。

上面尤其要注意一点:一个线程被唤醒不代表立即获取了对象的monitor,只有等调用完notify()或者notifyAll()并退出synchronized块,释放对象锁后,其余线程才可获得锁执行。

举个例子:

public class WaitNotifyTest {

    private static Object obj = new Object();

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Thread t1 = new Thread() {
            public void run() {
                synchronized(obj) {
                    try {
                        obj.wait();
                    } catch (InterruptedException ex) {}
                    System.out.println("t1 成功获得了锁");
                }
            }
        };

        Thread t2 = new Thread() {
            public void run() {
                synchronized(obj) {
                    System.out.println("t2 调用notify()");
                    obj.notify();
                }
                System.out.println("t2 释放了锁");
            }
        };

        t1.start();
        Thread.sleep(2000);
        t2.start();
    }
}

无论如何运行,执行结果如下:

t2 调用notify()

t2 释放了锁

t1 成功获得了锁

显式的Condition对象

Condition是在java 1.5中才出现的,它用来替代传统的Object的wait()、notify()实现线程间的协作,相比使用Object的wait()、notify(),使用Condition的await()、signal()这种方式实现线程间协作更加安全和高效。因此通常来说比较推荐使用Condition。

Condition是个接口,基本的方法如下:

public interface Condition {
    void await() throws InterruptedException;
    void awaitUninterruptibly();
    long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
    boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
    void signal();
    void signalAll();
}

Condition依赖于Lock接口,生成一个Condition的基本代码是:lock.newCondition();
调用Condition的await()和signal()方法,都必须在lock保护之内,就是说必须在lock.lock()和lock.unlock()之间才可以使用。

Conditon中的await()对应Object的wait();Condition中的signal()对应Object的notify();Condition中的signalAll()对应Object的notifyAll()。

生产者与消费者模型

1)使用内置锁、Object的wait()和notify()实现:

public class ProducerAndConsumer {
    public static void main(String[] args) {
        Producer producer = new Producer();
        Consumer consumer = new Consumer();

        for (int i=0; i<5; i++) {
            new Thread(producer).start();
            new Thread(consumer).start();
        }
    }

    private static final int CAPACITY = 10;
    private static final LinkedList list = new LinkedList();
    private static final Object obj = new Object();

    static class Producer implements Runnable {
        private static final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
        public void run() {
            for (int i=0; i<10; i++)
                produce();
        }
        private void produce() {
            synchronized (obj) {
                while (list.size() == CAPACITY) {
                    try {
                        obj.wait();
                    } catch (InterruptedException ex) {
                    }
                }
                Integer num = count.incrementAndGet();
                list.add(num);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "生产了 " + num);
                obj.notifyAll();
            }
        }
    }

    static class Consumer implements Runnable {
        public void run() {
            for (int i=0; i<10; i++)
                consume();
        }
        private void consume() {
            synchronized (obj) {
                while (list.size() == 0) {
                    try {
                        obj.wait();
                    } catch (InterruptedException ex) {
                    }
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "消费了 " + list.remove());
                obj.notifyAll();
            }
        }
    }
}

注意:在多生产者和多消费者的模式下,必须要使用Object.notifyAll()方法,并且当线程唤醒之后要循环判断条件是否满足,否则很容易陷入死锁的状态。

2)使用显式锁和Condition实现

public class ConditionTest {
    public static void main(String[] args) {
        Producer producer = new Producer();
        Consumer consumer = new Consumer();

        for (int i=0; i<5; i++) {
            new Thread(producer).start();
            new Thread(consumer).start();
        }
    }

    private static final int CAPACITY = 1;
    private static final LinkedList list = new LinkedList();
    private static final Lock lock = new ReentrantLock();
    private static final Condition notFull = lock.newCondition();
    private static final Condition notEmpty = lock.newCondition();

    static class Producer implements Runnable {
        private static final AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
        public void run() {
            for (int i=0; i<10; i++)
                produce();
        }
        private void produce() {
            lock.lock();
            try {
                while (list.size() == CAPACITY) {
                    try {
                        notFull.await();
                    } catch (InterruptedException ex) {
                    }
                }
                Integer num = count.incrementAndGet();
                list.add(num);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "生产了 " + num);
                notEmpty.signal();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }

    static class Consumer implements Runnable {
        public void run() {
            for (int i=0; i<10; i++)
                consume();
        }
        private void consume() {
            lock.lock();
            try {
                while (list.size() == 0) {
                    try {
                        notEmpty.await();
                    } catch (InterruptedException ex) {
                    }
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "消费了 " + list.remove());
                notFull.signal();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

两种实现方式的区别

1)使用内置锁时,每个锁都只能有一个相关联的条件队列,因而在像上面的例子中,多个线程可能在同一个条件队列上等待不同的条件谓词,如:生产者线程在等待队列notFull,消费者线程在等待队列notEmpty。当条件满足时,必须使用notifyAll()方法唤醒所有等待的线程,否则程序很容易产生活跃性故障:死锁。但是,当使用notifyAll()方法唤醒所有线程后,会使得所有线程在锁上发生竞争,然后,大多数线程又都回到等待状态,因此将出现大量的上下文切换操作以及发生竞争的锁获取操作。

2)使用内置锁时,最大的问题就是:无法根据满足的条件去唤醒对应的线程,如:notEmpty时唤醒消费者线程,notFull时唤醒生产者线程。而使用Lock时,可以产生多个与之关联的条件队列,不同类型的线程将在不同的条件队列上等待,当条件满足时,可以使用signal()方法唤醒相应的线程,从而极大地减少上下文切换与锁请求的次数。

另外,Condition比Object提供了更丰富的功能:在每个锁上可存在多个等待、条件等待可以是可中断的或不可中断的、基于时限的等待,以及公平的或非公平的队列操作。Condition对象继承了相关的Lock对象的公平性,对于公平的锁,线程会依照FIFO顺序从Condition.await中释放。

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