母鸡下蛋实例：多线程通信生产者和消费者wait/notify和condition/await/signal条件队列

简介

一对一生产和消费：一只母鸡和叫练

wait/notify

Lock条件队列

多对多生产和消费：2只母鸡和叫练/叫练媳妇

wait/notifyAll

Lock条件队列

Lock和synchronized比较

总结

简介

多线程通信一直是高频面试考点，有些面试官可能要求现场手写生产者/消费者代码来考察多线程的功底，今天我们以实际生活中母鸡下蛋案例用代码剖析下实现过程。母鸡在鸡窝下蛋了，叫练从鸡窝里把鸡蛋拿出来这个过程，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。现实中还有很多这样的案例，如医院叫号。下面我们画个图表示下。

一对一生产和消费：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();}//容器添加一个蛋EggsList.LIST.add("1");//鸡下蛋需要休息才能继续产蛋Thread.sleep(1000);System.out.println(name+":下了一个鸡蛋！");//通知叫练捡蛋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");//通知叫练捡蛋EggsList.class.notify();}}}public static void main(String[] args) {//创造一个人和一只鸡HEN hen = new HEN("小黑");Person person = new Person("叫练");//创建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();}
}

如上面代码，我们定义EggsList类来装鸡蛋，HEN类表示母鸡，Person类表示人。在主函数中创建母鸡对象“小黑”，人对象“叫练”，创建两个线程分别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（当然可以定义多个）。详细过程：“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，表示有鸡蛋，那就调用wait等待并释放锁给“叫练”线程，如果没有鸡蛋，就调用EggsList.LIST.add("1")表示生产了一个鸡蛋并通知“叫练”来取鸡蛋并释放锁让“叫练”线程获取锁。“叫练”线程调用getEggs()方法获取锁后发现，如果鸡窝中并没有鸡蛋就调用wait等待并释放锁通知“小黑”线程获取锁去下蛋，如果有鸡蛋，说明“小黑”已经下蛋了，就把鸡蛋取走，因为鸡窝没有鸡蛋了，所以最后也要通知调用notify()方法通知“小黑”去下蛋，我们观察程序的执行结果如下图。两个线程是死循环程序会一直执行下去，下蛋和捡蛋的过程中用到的锁的是EggsList类的class，“小黑”和“叫练”竞争的都是统一把锁，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();}//容器添加一个蛋EggsList.LIST.add("1");//鸡下蛋需要休息才能继续产蛋Thread.sleep(1000);System.out.println(name+":下了一个鸡蛋！");//通知叫练捡蛋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");//通知叫练捡蛋condition.signal();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}}}public static void main(String[] args) {//创造一个人和一只鸡HEN hen = new HEN("小黑");Person person = new Person("叫练");//创建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();}
}

如上面代码，只是将synchronized换成了Lock，程序运行的结果和上面的一致，wait/notify换成了AQS的条件队列Condition来控制线程之间的通信。Lock需要手动加锁lock.lock()，解锁lock.unlock()的步骤放在finally代码块保证锁始终能被释放。await底层是unsafe.park(false,0)调用C++代码实现。

多对多生产和消费：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();}//容器添加一个蛋EggsList.LIST.add("1");//鸡下蛋需要休息才能继续产蛋Thread.sleep(1000);System.out.println(name+":下了一个鸡蛋！共有"+EggsList.LIST.size()+"个蛋");//通知叫练捡蛋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");//通知叫练捡蛋EggsList.class.notify();}}}public static void main(String[] args) {//创造一个人和一只鸡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");//创建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();}
}

如上面代码，参照一对一生产和消费中wait/notify代码做了一些修改，创建了两个母鸡线程“小黑”，“小黄”，两个捡鸡蛋的线程“叫练”，“叫练媳妇”，执行结果是同步的，实现了多对多的生产和消费，如下图所示。有如下几点需要注意的地方：

鸡窝中能容纳最大的鸡蛋是10个。
下蛋proEggs（）方法中判断鸡蛋数量是否大于等于10个使用的是while循环，wait收到通知，唤醒当前线程，需要重新判断一次，避免程序出现逻辑问题，这里不能用if，如果用if，程序可能出现EggsList有超过10以上鸡蛋的情况。这是这道程序中容易出现错误的地方，也是经常会被问到的点，值得重点探究下。
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();}//容器添加一个蛋EggsList.LIST.add("1");//鸡下蛋需要休息才能继续产蛋Thread.sleep(1000);System.out.println(name+":下了一个鸡蛋！共有"+ EggsList.LIST.size()+"个蛋");//通知叫练/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");//通知叫练捡蛋condition.signalAll();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}}}public static void main(String[] args) {//创造一个人和一只鸡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");//创建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();}
}

如上面代码，只是将synchronized换成了Lock，程序运行的结果和上面的一致，下面我们比较下Lock和synchronized的异同。这个问题也是面试中会经常问到的！

Lock和synchronized比较

Lock和synchronized都能让多线程同步。主要异同点表现如下！

锁性质：Lock乐观锁是非阻塞的，底层是依赖cas+volatile实现，synchronized悲观锁是阻塞的，需要上下文切换。实现思想不一样。
功能细节上：Lock需要手动加解锁，synchronized自动加解锁。Lock还提供颗粒度更细的功能，比如tryLock等。
线程通信：Lock提供Condition条件队列，一把锁可以对应多个条件队列，对线程控制更细腻。synchronized只能对应一个wait/notify。

主要就这些吧，如果对synchronized，volatile，cas关键字不太了解的童鞋，可以看看我之前的文章，有很详细的案例和说明。

总结

今天用生活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，给您的建议就是需要把代码敲一遍，如果认真执行了一遍代码应该能看明白，喜欢的请点赞加关注哦。我是叫练【公众号】，边叫边练。