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关于多线程:母鸡下蛋实例多线程通信生产者和消费者waitnotify和conditionawaitsignal条件队列

作者：

jiezi

在

简介

多线程通信始终是高频面试考点，有些面试官可能要求现场手写生产者/消费者代码来考查多线程的功底，明天咱们以理论生存中母鸡下蛋案例用代码分析下实现过程。母鸡在鸡窝下蛋了，叫练从鸡窝里把鸡蛋拿进去这个过程，母鸡在鸡窝下蛋，是生产者，叫练捡出鸡蛋，叫练是消费者，一进一出就是线程中的生产者和消费者模型了，鸡窝是放鸡蛋容器。事实中还有很多这样的案例，如医院叫号。上面咱们画个图示意下。

一对一生产和生产：一只母鸡和叫练

wait/notify

package com.duyang.thread.basic.waitLock.demo;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * @author ：jiaolian
 * @date ：Created in 2020-12-30 16:18
 * @description：母鸡下蛋：一对一生产者和消费者
 * @modified By：
 * 公众号:叫练
 */
public class SingleNotifyWait {

    //装鸡蛋的容器
    private static class EggsList {
        private static final List<String> LIST = new ArrayList();
    }

    //生产者：母鸡实体类
    private static class HEN {
        private String name;

        public HEN(String name) {
            this.name = name;
        }

        //下蛋
        public void proEggs() throws InterruptedException {
            synchronized (EggsList.class) {
                if (EggsList.LIST.size() == 1) {
                    EggsList.class.wait();
                }
                //容器增加一个蛋
                EggsList.LIST.add("1");
                //鸡下蛋须要劳动能力持续产蛋
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println(name+":下了一个鸡蛋！");
                //告诉叫练捡蛋
                EggsList.class.notify();
            }
        }
    }

    //人对象
    private static class Person {
        private String name;

        public Person(String name) {
            this.name = name;
        }
        //取蛋
        public void getEggs() throws InterruptedException {
            synchronized (EggsList.class) {
                if (EggsList.LIST.size() == 0) {
                    EggsList.class.wait();
                }
                Thread.sleep(500);
                EggsList.LIST.remove(0);
                System.out.println(name+":从容器中捡出一个鸡蛋");
                //告诉叫练捡蛋
                EggsList.class.notify();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        //发明一个人和一只鸡
        HEN hen = new HEN("小黑");
        Person person = new Person("叫练");
        //创立线程执行下蛋和捡蛋的过程；
        new Thread(()->{
            try {
                for (int i=0; i<Integer.MAX_VALUE;i++) {
                    hen.proEggs();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
        //叫练捡鸡蛋的过程！
        new Thread(()->{
            try {
                for (int i=0; i<Integer.MAX_VALUE;i++) {
                    person.getEggs();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }
}

如下面代码，咱们定义EggsList类来装鸡蛋，HEN类示意母鸡，Person类示意人。在主函数中创立母鸡对象“小黑”，人对象“叫练”， 创立两个线程别离执行下蛋和捡蛋的过程。代码中定义鸡窝中最多只能装一个鸡蛋（当然能够定义多个）。具体过程：“小黑”母鸡线程和“叫练”线程线程竞争锁，如果“小黑”母鸡线程先获取锁，发现EggsList鸡蛋的个数大于0，示意有鸡蛋，那就调用wait期待并开释锁给“叫练”线程，如果没有鸡蛋，就调用EggsList.LIST.add(“1”)示意生产了一个鸡蛋并告诉“叫练”来取鸡蛋并开释锁让“叫练”线程获取锁。“叫练”线程调用getEggs()办法获取锁后发现，如果鸡窝中并没有鸡蛋就调用wait期待并开释锁告诉“小黑”线程获取锁去下蛋，如果有鸡蛋，阐明“小黑”曾经下蛋了，就把鸡蛋取走，因为鸡窝没有鸡蛋了，所以最初也要告诉调用notify()办法告诉“小黑”去下蛋，咱们察看程序的执行后果如下图。两个线程是死循环程序会始终执行上来，下蛋和捡蛋的过程中用到的锁的是EggsList类的class，“小黑”和“叫练”竞争的都是对立把锁，所以这个是同步的。这就是母鸡“小黑”和“叫练”沟通的过程。

神马？？？鸡和人能沟通！！

Lock条件队列

package com.duyang.thread.basic.waitLock.demo;

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

/**
 * @author ：jiaolian
 * @date ：Created in 2020-12-30 16:18
 * @description：母鸡下蛋：一对一生产者和消费者 条件队列
 * @modified By：
 * 公众号:叫练
 */
public class SingleCondition {

    private static Lock lock = new ReentrantLock();
    //条件队列
    private static Condition condition = lock.newCondition();

    //装鸡蛋的容器
    private static class EggsList {
        private static final List<String> LIST = new ArrayList();
    }

    //生产者：母鸡实体类
    private static class HEN {
        private String name;

        public HEN(String name) {
            this.name = name;
        }

        //下蛋
        public void proEggs() {
            try {
                lock.lock();
                if (EggsList.LIST.size() == 1) {
                    condition.await();
                }
                //容器增加一个蛋
                EggsList.LIST.add("1");
                //鸡下蛋须要劳动能力持续产蛋
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println(name+":下了一个鸡蛋！");
                //告诉叫练捡蛋
                condition.signal();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }

    //人对象
    private static class Person {
        private String name;

        public Person(String name) {
            this.name = name;
        }
        //取蛋
        public void getEggs() {
            try {
                lock.lock();
                if (EggsList.LIST.size() == 0) {
                    condition.await();
                }
                Thread.sleep(500);
                EggsList.LIST.remove(0);
                System.out.println(name+":从容器中捡出一个鸡蛋");
                //告诉叫练捡蛋
                condition.signal();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        //发明一个人和一只鸡
        HEN hen = new HEN("小黑");
        Person person = new Person("叫练");
        //创立线程执行下蛋和捡蛋的过程；
        new Thread(()->{
            for (int i=0; i<Integer.MAX_VALUE;i++) {
                hen.proEggs();
            }
        }).start();
        //叫练捡鸡蛋的过程！
        new Thread(()->{
            for (int i=0; i<Integer.MAX_VALUE;i++) {
                person.getEggs();
            }
        }).start();
    }
}

如下面代码，只是将synchronized换成了Lock，程序运行的后果和下面的统一，wait/notify换成了AQS的条件队列Condition来控制线程之间的通信。Lock须要手动加锁lock.lock()，解锁lock.unlock()的步骤放在finally代码块保障锁始终能被开释。await底层是unsafe.park(false,0)调用C++代码实现。

多对多生产和生产：2只母鸡和叫练/叫练媳妇

wait/notifyAll

package com.duyang.thread.basic.waitLock.demo;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * @author ：jiaolian
 * @date ：Created in 2020-12-30 16:18
 * @description：母鸡下蛋：多对多生产者和消费者
 * @modified By：
 * 公众号:叫练
 */
public class MultNotifyWait {

    //装鸡蛋的容器
    private static class EggsList {
        private static final List<String> LIST = new ArrayList();
    }

    //生产者：母鸡实体类
    private static class HEN {
        private String name;

        public HEN(String name) {
            this.name = name;
        }

        //下蛋
        public void proEggs() throws InterruptedException {
            synchronized (EggsList.class) {
                while (EggsList.LIST.size() >= 10) {
                    EggsList.class.wait();
                }
                //容器增加一个蛋
                EggsList.LIST.add("1");
                //鸡下蛋须要劳动能力持续产蛋
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println(name+":下了一个鸡蛋！共有"+EggsList.LIST.size()+"个蛋");
                //告诉叫练捡蛋
                EggsList.class.notify();
            }
        }
    }

    //人对象
    private static class Person {
        private String name;

        public Person(String name) {
            this.name = name;
        }
        //取蛋
        public void getEggs() throws InterruptedException {
            synchronized (EggsList.class) {
                while (EggsList.LIST.size() == 0) {
                    EggsList.class.wait();
                }
                Thread.sleep(500);
                EggsList.LIST.remove(0);
                System.out.println(name+":从容器中捡出一个鸡蛋！还剩"+EggsList.LIST.size()+"个蛋");
                //告诉叫练捡蛋
                EggsList.class.notify();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        //发明一个人和一只鸡
        HEN hen1 = new HEN("小黑");
        HEN hen2 = new HEN("小黄");
        Person jiaolian = new Person("叫练");
        Person wife = new Person("叫练媳妇");
        //创立线程执行下蛋和捡蛋的过程；
        new Thread(()->{
            try {
                for (int i=0; i<Integer.MAX_VALUE;i++) {
                    hen1.proEggs();
                    Thread.sleep(50);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
        new Thread(()->{
            try {
                for (int i=0; i<Integer.MAX_VALUE;i++) {
                    hen2.proEggs();
                    Thread.sleep(50);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
        //叫练捡鸡蛋的线程！
        new Thread(()->{
            try {
                for (int i=0; i<Integer.MAX_VALUE;i++) {
                    jiaolian.getEggs();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
        //叫练媳妇捡鸡蛋的线程！
        new Thread(()->{
            try {
                for (int i=0; i<Integer.MAX_VALUE;i++) {
                    wife.getEggs();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }
}

如下面代码，参照一对一生产和生产中wait/notify代码做了一些批改，创立了两个母鸡线程“小黑”，“小黄”，两个捡鸡蛋的线程“叫练”，“叫练媳妇”，执行后果是同步的，实现了多对多的生产和生产，如下图所示。有如下几点须要留神的中央：

  1. 鸡窝中能包容最大的鸡蛋是10个。
  2. 下蛋proEggs（）办法中判断鸡蛋数量是否大于等于10个应用的是while循环，wait收到告诉，唤醒以后线程，须要从新判断一次，防止程序呈现逻辑问题，这里不能用if，如果用if，程序可能呈现EggsList有超过10以上鸡蛋的状况。这是这道程序中容易呈现谬误的中央，也是常常会被问到的点，值得重点探索下。
  3. 多对多的生产者和消费者。

Lock条件队列


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

/**
 * @author ：jiaolian
 * @date ：Created in 2020-12-30 16:18
 * @description：母鸡下蛋：多对多生产者和消费者 条件队列
 * @modified By：
 * 公众号:叫练
 */
public class MultCondition {

    private static Lock lock = new ReentrantLock();
    //条件队列
    private static Condition condition = lock.newCondition();

    //装鸡蛋的容器
    private static class EggsList {
        private static final List<String> LIST = new ArrayList();
    }

    //生产者：母鸡实体类
    private static class HEN {
        private String name;

        public HEN(String name) {
            this.name = name;
        }

        //下蛋
        public void proEggs() {
            try {
                lock.lock();
                while (EggsList.LIST.size() >= 10) {
                    condition.await();
                }
                //容器增加一个蛋
                EggsList.LIST.add("1");
                //鸡下蛋须要劳动能力持续产蛋
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println(name+":下了一个鸡蛋！共有"+ EggsList.LIST.size()+"个蛋");
                //告诉叫练/叫练媳妇捡蛋
                condition.signalAll();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }

    //人对象
    private static class Person {
        private String name;

        public Person(String name) {
            this.name = name;
        }
        //取蛋
        public void getEggs() throws InterruptedException {
            try {
                lock.lock();
                while (EggsList.LIST.size() == 0) {
                    condition.await();
                }
                Thread.sleep(500);
                EggsList.LIST.remove(0);
                System.out.println(name+":从容器中捡出一个鸡蛋！还剩"+ EggsList.LIST.size()+"个蛋");
                //告诉叫练捡蛋
                condition.signalAll();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        //发明一个人和一只鸡
        HEN hen1 = new HEN("小黑");
        HEN hen2 = new HEN("小黄");
        Person jiaolian = new Person("叫练");
        Person wife = new Person("叫练媳妇");
        //创立线程执行下蛋和捡蛋的过程；
        new Thread(()->{
            try {
                for (int i=0; i<Integer.MAX_VALUE;i++) {
                    hen1.proEggs();
                    Thread.sleep(50);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
        new Thread(()->{
            try {
                for (int i=0; i<Integer.MAX_VALUE;i++) {
                    hen2.proEggs();
                    Thread.sleep(50);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
        //叫练捡鸡蛋的线程！
        new Thread(()->{
            try {
                for (int i=0; i<Integer.MAX_VALUE;i++) {
                    jiaolian.getEggs();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
        //叫练媳妇捡鸡蛋的线程！
        new Thread(()->{
            try {
                for (int i=0; i<Integer.MAX_VALUE;i++) {
                    wife.getEggs();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }
}

如下面代码，只是将synchronized换成了Lock，程序运行的后果和下面的统一，上面咱们比拟下Lock和synchronized的异同。这个问题也是面试中会常常问到的！

Lock和synchronized比拟

Lock和synchronized都能让多线程同步。次要异同点体现如下！

  1. 锁性质：Lock乐观锁是非阻塞的，底层是依赖cas+volatile实现，synchronized乐观锁是阻塞的，须要上下文切换。实现思维不一样。
  2. 性能细节上：Lock须要手动加解锁，synchronized主动加解锁。Lock还提供颗粒度更细的性能，比方tryLock等。
  3. 线程通信：Lock提供Condition条件队列，一把锁能够对应多个条件队列，对线程管制更细腻。synchronized只能对应一个wait/notify。

次要就这些吧，如果对synchronized，volatile，cas关键字不太理解的童鞋，能够看看我之前的文章，有很具体的案例和阐明。

总结

明天用生存中的例子转化成代码，实现了两种多线程中消费者/生产者模式，给您的倡议就是须要把代码敲一遍，如果认真执行了一遍代码应该能看明确，喜爱的请点赞加关注哦。我是叫练【公众号】，边叫边练。

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