【Java线程】线程协作
通过一个经典的例子—生产者与消费者模型来理解一下线程的协作:
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中线程协作的两种方式:
1、利用Object.wait()、Object.notify();
2、使用Condition;
第一种:利用Object.wait()、Object.notify();
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);
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;
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;
注意:
1、这三个方法不是Thread类声明中的方法,而是Object类中声明的方法(当然由于Thread类继承了Object类,所以Thread也可以调用者三个方法;)由于每个对象都拥有monitor(即锁),所以让当前线程等待某个对象的锁,当然应该通过这个对象来操作了。而不是用当前线程来操作,因为当前线程可能会等待多个线程的锁,如果通过线程来操作,就非常复杂了。
2、wait()
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)。同时,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);
3、wait(long)和wait(long,int)
显然,这两个方法是设置等待超时时间的,后者在超值时间上加上ns,精度也难以达到,因此,该方法很少使用。对于前者,如果在等待线程接到通知或被中断之前,已经超过了指定的毫秒数,则它通过竞争重新获得锁,并从wait(long)返回。另外,需要知道,如果设置了超时时间,当wait()返回时,我们不能确定它是因为接到了通知还是因为超时而返回的,因为wait()方法不会返回任何相关的信息。但一般可以通过设置标志位来判断,在notify之前改变标志位的值,在wait()方法后读取该标志位的值来判断,当然为了保证notify不被遗漏,我们还需要另外一个标志位来循环判断是否调用wait()方法。
4、notify()
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)。
5、nofityAll()
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。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。
6、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。
举例如下:
TestThread.java
public class TestThread {public static Object object = new Object();static class Thread-0 extends Thread{public void run() {synchronized (object) {try {object.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"获取到了锁");}}}static class Thread-1 extends Thread{public void run() {synchronized (object) {object.notify();//将处于等待状态的线程(Thread-0)唤醒System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"调用了object.notify()");}System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+"释放了锁");}}public static void main(String[] args) {Thread-0 thread-0 = new Thread-0();Thread-1 thread-1 = new Thread-1();thread-0.start();try {Thread.sleep(200);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}thread-1.start();}
}
运行结果:
线程Thread-1调用了object.notify()
线程Thread-1释放了锁
线程Thread-0获取到了锁
第二种:利用condition;
1、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Condition1的await()、signal()这种方式实现线程间协作更加安全和高效。Lock 替代了 synchronized 方法和语句的使用,Condition 替代了 Object 监视器方法的使用。因此通常来说比较推荐使用Condition,在阻塞队列那一篇博文中就讲述到了,阻塞队列实际上是使用了Condition来模拟线程间协作。
2、Condition是个接口,基本的方法就是await()和signal()方法;
3、Condition依赖于Lock接口,生成一个Condition的基本代码是lock.newCondition()
4、 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
5、Conditon中的await()对应Object的wait();
6、Condition中的signal()对应Object的notify();
7、Condition中的signalAll()对应Object的notifyAll()。
8、条件(也称为条件队列 或条件变量)为线程提供了一个含义,以便在某个状态条件现在可能为 true 的另一个线程通知它之前,一直挂起该线程(即让其“等待”)。因为访问此共享状态信息发生在不同的线程中,所以它必须受保护,因此要将某种形式的锁与该条件相关联。等待提供一个条件的主要属性是:释放相关的锁,并挂起当前线程,就像 Object.wait 做的那样。 Condition 实例实质上被绑定到一个锁上。要为特定 Lock 实例获得 Condition 实例,请使用其 newCondition() 方法。
注意:
Condition 实例只是一些普通的对象,它们自身可以用作 synchronized 语句中的目标,并且可以调用自己的 wait 和 notification 监视器方法。获取 Condition 实例的监视器锁或者使用其监视器方法,与获取和该 Condition 相关的 Lock 或使用其 waiting 和 signalling 方法没有什么特定的关系。为了避免混淆,建议除了在其自身的实现中之外,切勿以这种方式使用 Condition 实例。 除非另行说明,否则为任何参数传递 null 值将导致抛出 NullPointerException。
有关condition的详细用法请查看相关API;
分别用以上两种方法实现生产者—消费者模式:
示例一:利用object.wait和object.notify实现生产者-消费者模式
Test01.java
import java.util.PriorityQueue;public class Test01{private int queueSize = 10;private PriorityQueue<Integer queue = new PriorityQueue<Integer(queueSize);public static void main(String[] args) {Test01 test = new Test01();Producer producer = test.new Producer();Consumer consumer = test.new Consumer();producer.start();consumer.start();}class Consumer extends Thread{public void run() {consume();}private void consume() {while(true){synchronized (queue) {while(queue.size() == 0){try {System.out.println("队列空,等待数据");queue.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();queue.notify();}}queue.poll(); //每次移走队首元素queue.notify();System.out.println("从队列取走一个元素,队列剩余"+queue.size()+"个元素");}}}}class Producer extends Thread{public void run() {produce();}private void produce() {while(true){synchronized (queue) {while(queue.size() == queueSize){try {System.out.println("队列满,等待有空余空间");queue.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();queue.notify();}}queue.offer(1); //每次插入一个元素queue.notify();System.out.println("向队列取中插入一个元素,队列剩余空间:"+(queueSize-queue.size()));}}}}
}
示例二:利用condition实现生产者-消费者模式
Test02 .java
import java.util.PriorityQueue;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class Test02 {private int queueSize = 10;private PriorityQueue<Integer> queue = new PriorityQueue<Integer(queueSize);private Lock lock = new ReentrantLock();private Condition notFull = lock.newCondition();private Condition notEmpty = lock.newCondition();public static void main(String[] args) {Test02 test = new Test02();Producer producer = test.new Producer();Consumer consumer = test.new Consumer();producer.start();consumer.start();}class Consumer extends Thread{public void run() {consume();}private void consume() {while(true){lock.lock();try {while(queue.size() == 0){try {System.out.println("队列空,等待数据");notEmpty.await();//让当前线程(消费者线程)在接到信号或被中断之前一直处于等待状态} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}queue.poll(); //每次移走队首元素notFull.signal();//唤醒消费者线程System.out.println("从队列取走一个元素,队列剩余"+queue.size()+"个元素");} finally{lock.unlock();}}}}class Producer extends Thread{public void run() {produce();}private void produce() {while(true){lock.lock();try {while(queue.size() == queueSize){try {System.out.println("队列满,等待有空余空间");notFull.await();//让当前线程(生产者线程)在接到信号或被中断之前一直处于等待状态} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}queue.offer(1); //每次插入一个元素notEmpty.signal();//唤醒生产者线程System.out.println("向队列取中插入一个元素,队列剩余空间:"+(queueSize-queue.size()));} finally{lock.unlock();}}}}
}
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