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关于java:java并发编程Lock-Condition-协调同步生产消费

jiezi

一、协调生产 / 生产的需要

本文内容次要想向大家介绍一下 Lock 联合 Condition 的应用办法，为了更好的了解 Lock 锁与 Condition 锁信号，咱们来手写一个 ArrayBlockingQueue。JDK 实际上曾经有这个类，基于 Lock 锁与 Condition 锁信号实现的，当然 JDK 实现代码很简单蕴含了更谨严的逻辑校验，以及从性能优化的角度做了更多的工作。本文中咱们只是来简略实现一下其外围逻辑：

  • ArrayBlockingQueue 初始化结构时指定容量下限最大值
  • 提供 put 办法，当达到 Queue 队列容量下限最大值，阻塞生产数据的线程。
  • put 办法生产数据之后，队列必定是不为空，告诉消费者线程进行生产。
  • 提供 take 办法，当 Queue 队列容量为 0 时候，阻塞生产数据的线程。
  • take 办法执行之后，队列必定不是满的，告诉生产者线程进行生产。
  • 一条数据只能被 take 一次，take 之后数据从 queue 中删除

置信实现实现下面的逻辑之后，java 并发编程之 Lock 锁与 Condition 锁信号，你必定是把握了！其实这个逻辑基本上就是 kafka 生产者客户端缓冲队列，批量进行数据发送的实现逻辑。区别是 take 办法一次取出缓冲区所有数据，本文 take 办法一次取出一条数据。

二、构造方法

结构队列的办法很简略，应用一个 List 作为数据存储队列，并指定其容量。到此咱们还没有实现容量判断，以及阻塞线程的性能。

// 类成员变量 - 存储数据的队列
private List<Object> queue;
// 类成员变量 - 存储队列的容量下限
private int queueSize;

public MyBlockingQueue(int queueSize) {
  this.queueSize = queueSize;
  queue = new ArrayList<>(queueSize);// 存储音讯的汇合
}

三、Lock& Condition 逻辑设计

首先咱们要有一把锁，保证数据 put 与 take 操作的同步性，即：一条数据只能被 take 一次，take 之后数据从 queue 中删除；以及创立 Condition 逻辑都须要 Lock 锁。学过 java 根底并发编程的同学，能够把 Lock 锁了解为 Synchronized 同步代码块性能是一样的。我写过一个专栏《java 并发编程》中介绍了二者的区别，欢送关注。

private Lock lock = new ReentrantLock();// 锁

Condition 逻辑大家能够了解为传统 JDK 多线程编程中的 wait 与 notify，然而 Condition 的语义更容易被了解。如下文代码所示：

private Condition notFull = lock.newCondition();   // 队列不为满

notFull.signal();   // 告诉生产者队列不为满，能够持续生产数据(通常在消费者拿走数据之后，调用)
notFull.await();    // 队列已满，阻塞生产线程（await 对 condition 逻辑取反）
private Condition notEmpty = lock.newCondition();  // 队列不为空

notEmpty.signal();  // 告诉消费者线程队列不为空，能够持续生产数据(通常在生产者生产数据之后，调用)
notEmpty.await();  // 队列曾经空了，阻塞生产线程（await 对 condition 逻辑取反）

大家在应用 Lock& Condition 进行线程同步协调的时候，肯定像我一样先把 condition 的逻辑语义设计好

  • 将当 xxxx 时候的表白，设计为 condition。
  • 当状况满足 condition 的时候发出信号 signal()告诉其余线程；
  • 当状况与 condtion 正好相同的的时候，应用 await 阻塞以后线程。

四、put 放入数据

其实最重要的就是实现 Lock& Condition 逻辑设计，剩下的就是填空了，模板如下

通过 while 循环判断队列以后容量是否达到容量下限，如果达到下限就示意队列满了。队列满了（notFull 取反应用 await），await 阻塞生产线程向队列中持续放入数据。在这里，有小伙伴已经问过我一个奇葩的问题：多线程持有同一个 lock 锁，你怎么晓得阻塞的是生产线程，而不是生产线程呢？ 答：一个线程是生产线程还是生产线程，取决于它的动作（调用什么办法），并没有一个标签给它定义死，调用 put 办法放入数据的就是生产数据的线程。while/await 组合是规范写法，请不要随便翻新改成 if，否则你会遇到很多诡异的 bug。

// 队列满了，await 阻塞生产线程
while (queue.size() >= queueSize) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "期待, 因为队列满了");
  notFull.await();}

向队列中增加一条数据，此时咱们能够确定队列是 notEmpty，所以应用 notEmpty.signal()向生产者发送信号。这里问题又来了：多线程持有同一个 lock 锁，你怎么晓得告诉的是消费者线程，而不是生产者线程呢？ 答案是我的确不晓得 ，所以在上文中的while (queue.size() >= queueSize) 采纳的是 while，而不是 if。即便生产者线程被唤醒了，while 判断也会把它 await 拦住。

// 向队列增加一条音讯，同时告诉消费者有新音讯了
queue.add(message);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "生产" + message);
notEmpty.signal();// 告诉消费者线程

五、take 生产数据

take 从队列中取出数据，取出数据之后，队列必定是 notFull，所以收回 notFull.signal 信号。当队列空了（notEmpty 应用 await 取反)，await 同时阻塞消费者线程。

public Object take() throws InterruptedException {
  Object retVal = null;
  lock.lock();// 操作队列先加锁
  try {
    // 队列空了，告诉生产线程，生产线程阻塞
    while (queue.size() == 0) {System.out.println("队列曾经空了，进行生产！");
      notEmpty.await();}
    // 队列删除一条音讯，同时告诉生产者队列有地位了
    retVal = queue.get(0);
    queue.remove(0);
    notFull.signal();   // 同时告诉生产者队列} finally {lock.unlock();
  }
  return retVal;
}

我置信有了下面 put 办法的根底，了解 take 办法中的代码，就非常容易了，这里我就不做过多的阐明了。

六、生产生产测试

public static void main(String[] args) {
  // 为了不便查看测试后果，咱们的队列容量设置小一些
  MyBlockingQueue queue  = new MyBlockingQueue(2);

  // 生产者线程
  new Thread(()->{for(int i = 0;i < 5;i++){
      try {queue.put("msg" + i);  // 放入 5 条数据
      } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
      }
    }
  }).start();

  // 消费者线程
  new Thread(()->{while(true){  // 始终生产
      try {System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                + "生产数据" + queue.take());
      } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
      }
    }
  }).start();}

输入后果如下，满足咱们的需要。队列满了，生产者线程 Thread- 0 期待；生产生产相互协调告诉，最终数据生产实现，队列空了，消费者线程阻塞。

Thread- 0 生产 msg0
Thread- 0 生产 msg1
Thread- 0 期待, 因为队列满了
Thread- 1 生产数据 msg0
Thread- 0 生产 msg2
Thread- 0 期待, 因为队列满了
Thread- 1 生产数据 msg1
Thread- 0 生产 msg3
Thread- 0 期待, 因为队列满了
Thread- 1 生产数据 msg2
Thread- 0 生产 msg4
Thread- 1 生产数据 msg3
Thread- 1 生产数据 msg4
队列曾经空了，进行生产！

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