java并發(fā)等待條件的實現原理詳解
前言
前面介紹了排它鎖,共享鎖的實現機制,本篇繼續(xù)學習AQS中的另外一個內容-Condition。想必學過java的都知道Object.wait和Object.notify,同時也應該知曉這兩個方法的使用離不開synchronized關鍵字。synchronized是jvm級別提供的同步原語,它的實現機制隱藏在jvm實現中。作為Lock系列功能中的Condition,就是用來實現類似 Object.wait和Object.notify 對應功能的。
使用場景
為了更好的理解Lock和Condition的使用場景,下面我們先來實現這樣一個功能:有多個生產者,多個消費者,一個產品容器,我們假設容器最多可以放3個產品,如果滿了,生產者需要等待產品被消費,如果沒有產品了,消費者需要等待。我們的目標是一共生產10個產品,最終消費10個產品,如何在多線程環(huán)境下完成這一挑戰(zhàn)呢?下面是我簡單實現的一個demo,僅供參考。
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 {
// 生產 和 消費 的最大總數
public static int totalCount = 10;
// 已經生產的產品數
public static volatile int hasProduceCount = 0;
// 已經消費的產品數
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鎖,便于觀察演示結果
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>();
// 用于標識產品
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{
// 容器滿了,需要等待非滿條件
while(container.size() >= containerSize){
notFull.await();
}
// 到這里表明容器未滿,但需要再次判斷是否已經完成了任務
if(hasProduceCount >= totalCount){
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" producer exit");
return ;
}
int product = idGenerator.incrementAndGet();
// 把生產出來的產品放入容器
container.addLast(product);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " product " + product);
hasProduceCount++;
// 通知消費線程可以去消費了
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 ;
}
// 一直等待有產品了,再繼續(xù)往下消費
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++;
// 通知生產線程可以繼續(xù)生產產品了
notFull.signal();
} catch (InterruptedException e) {
}finally{
lock.unlock();
}
}
}
}
}
一次執(zhí)行結果如下:
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.
從結果可以發(fā)現已經達到我們的目的了。
深入理解Condition的實現原理
上面的示例只是為了展示 Lock結合Condition可以實現的一種經典場景,在有了感性的認識之后,我們將一步一步來觀察Lock和Condition是如何協作完成這一任務的,這也是本篇的核心內容。
為了更好的理解和演示這一個過程,我們使用到的鎖是使用公平策略模式的,我們會使用上面例子運作的流程。我們會使用到3個生產線程,3個消費線程,分別表示 p1、p2、p3和c1、c2、c3。
Condition的內部實現是使用節(jié)點鏈來實現的,每個條件實例對應一個節(jié)點鏈,我們有notEmpty 和 notFull 兩個條件實例,所以會有兩個等待節(jié)點鏈。
一切準備就緒 ,開始我們的探索之旅。
1、線程c3執(zhí)行,然后發(fā)現沒有產品可以消費,執(zhí)行 notEmpty.await,進入等待隊列中等候。

2、線程c2和線程c1執(zhí)行,然后發(fā)現沒有產品可以消費,執(zhí)行 notEmpty.await,進入等待隊列中等候。

3、 線程 p1 啟動,得到了鎖,p1開始生產產品,這時候p3搶在p2之前,執(zhí)行了lock操作,結果p2和p3都處于等待狀態(tài),入同步隊列等待。<喎�"/kf/ware/vc/" target="_blank" class="keylink">vcD4NCjxwPjxpbWcgYWx0PQ=="這里寫圖片描述" src="/uploadfile/Collfiles/20160912/20160912092710536.png" title="\" />
注意,本例中我們使用的是公平策略模式下的排它鎖,由于p3搶先執(zhí)行取鎖操作,所以雖然p2和p3都被阻塞了,但是p3會優(yōu)先被喚醒 。
4、這會,p1生產完畢,通知 not empty等待隊列,可以喚醒一個等待線程節(jié)點了,然后釋放了鎖,釋放鎖會導致p3被喚醒,然后p1進入下一個循環(huán),進入同步隊列。

事情開始變得有趣了,p1執(zhí)行一次生產后,執(zhí)行了 notEmpty.signal,其效果就是把 not empty等待列表中的頭節(jié)點,即c3節(jié)點移到同步等待列隊中,重新參與搶占鎖。
5、p3生產完了產品后,繼續(xù)notEmpty.signal,同時釋放鎖,釋放鎖后會喚醒p2線程,然后p3在下一輪嘗試獲取鎖的時候,再次入隊。

6、接著,p2繼續(xù)生產,生產后執(zhí)行 notEmpty.signal,同時釋放鎖,釋放鎖后喚醒c3線程,然后p2在下一輪嘗試取鎖的時候,入列。

7、c3進行消費,你可以看到,現在 not empty等待列隊中已經沒有等待節(jié)點了,由于我們使用的是公平策略排它鎖,這就會導致同步隊列中的節(jié)點一個接著一個執(zhí)行,而目前同步隊列中的節(jié)點排列為一生產,一消費,這不難可以知道,接下來代碼已經不會進入 wait條件了,所以一個一個輪流執(zhí)行就是,比如c3,執(zhí)行完了,繼續(xù)notFull.signal(); 然后釋放鎖,入隊,這里要明白,notFull.signal();這句代碼其實沒有作用了,因為 not full等待隊列中沒有任何等待線程節(jié)點。 c3執(zhí)行后,狀態(tài)如下圖所示:

8、后面的事情我想大家都可以想得出來是怎樣一步一步交替執(zhí)行的了。
總結
本篇基于一個實例來演示結合Lock和Condition如何實現生產-消費模式,而且只討論一種可能執(zhí)行的流程,是想更簡單的表述AQS底層是如何實現的?;谏厦孢@個演示過程,針對其它的執(zhí)行流程,其原來也是一樣的。Condition內部使用一個節(jié)點鏈來保存所有 wait狀態(tài)的線程,當對應條件被signal的時候,就會把等待節(jié)點轉移到同步隊列中,繼續(xù)競爭鎖。原理其實并不復雜,有興趣的朋友可以翻閱源碼。
以上就是本文關于java并發(fā)等待條件的實現原理詳解的全部內容,希望對大家有所幫助。感興趣的朋友可以繼續(xù)參閱本站:java并發(fā)學習之BlockingQueue實現生產者消費者詳解、Java并發(fā)之嵌套管程鎖死詳解、Java系統的高并發(fā)解決方法詳解等,有什么問題可以隨時留言,小編會及時回復大家的。感謝朋友們對本站的支持!

