JAVA基础知识之多线程——线程通信
传统的线程通信
Object提供了三个方法wait(), notify(), notifyAll()在线程之间进行通信，以此来解决线程间执行顺序等问题。
- wait():释放当前线程的同步监视控制器，并让当前线程进入阻塞状态，直到别的线程发出notify将该线程唤醒。
- notify():唤醒在等待控制监视器的其中一个线程（随机）。只有当前线程释放了同步监视器锁（调用wait）之后，被唤醒的线程才有机会执行。
- notifyAll():与上面notify的区别是同时唤醒多个等待线程。
值得注意的是这三个方法是属于Object而不是属于Thread的，但是调用的时候必须用同步监视器来调用，
- 对于synchronized修饰的同步方法，由于方法所在类对象（this）就是同步监视器，因此可以直接在同步方法中调用这三个方法；
- 对于同步代码块，synchronized(obj) { ... },则需要用空号钟的obj来调用。
生产者-消费者问题模型
在经典的生产者-消费者问题中，需要使用线程通信来解决。
假设有这么一个场景，有一个线程需要存钱进一个账户，有多个线程需要从这个账户取钱，要求是每次必须先存钱之后才能取钱，而且取钱之后必须存钱，
存钱和取钱不能同时发生两次，而是要保持顺序不变，如何实现这个需求呢。
下面是用同步方法结合线程通信的方式来实现的思路，
- 首先在Account类中定义两个同步方法，deposit和draw用来确保存款和取款操作的原子性。
- 在Account类中定义用标识符flag, 由deposit和draw共用。初始值为false,表示只能存款。 如果为false，表示只能取款。
- 定义一个存款线程类，去调用Account类的同步方法deposit，在deposit中先对flag进行判断，如果不为false，则调用wait阻塞存款线程，等待取款线程发出notice。存款完成之后，将flag改为true.
- 定义一个取款线程类，去调用Account类的同步方法draw，在draw中先对flag进行判断，如果不为true，则调用wait阻塞取款线程，等待存线程发出notice。取款完成之后，将flag改为false.
- 定义测试类，同时启动一个（或多个）存款线程进行存款，同时启动多个取款线程去取款，存款（取款）线程之间不会有先后顺序，但是存款和取款直接会有严格的先后顺序，这就解决了生产者消费者问题
下面给出实现代码
在Account类中定义两个同步方法，draw和deposit
package threads.sync;
public class Account {
private String accountNo;
private double balance;
//if flag = false, means only deposit can be done
private boolean flag = false;
public Account() {}
public Account(String accountNo, double balance) {
this.accountNo = accountNo;
this.balance = balance;
}
public String getAccountNo() {
return accountNo;
}
public void setAccountNo(String accountNo) {
this.accountNo = accountNo;
}
public double getBalance() {
return balance;
}
public void setBalance(double balance) {
this.balance = balance;
}
public int hashCode() {
return accountNo.hashCode();
}
public boolean equals(Object obj) {
if (this == obj) return true;
if (obj != null && obj.getClass() == Account.class) {
Account target = (Account)obj;
return target.getAccountNo().equals(accountNo);
}
return false;
}
public synchronized void draw(double drawAmount) {
try {
//if flag = false, means only deposit can be done, draw method will be blocked
if (!flag) {
wait();
} else {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ " draw money: " + drawAmount);
balance -= drawAmount;
System.out.println(" "
+ " balance : " + balance);
flag = false;
notifyAll();
}
} catch (InterruptedException ex) {
ex.printStackTrace();
}
}
public synchronized void deposit(double depositAmount) {
try {
//if flag = false, means only draw can be done, deposit method will be blocked
if (flag) {
wait();
} else {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ " deposit money: " + depositAmount);
balance += depositAmount;
System.out.println(" "
+ " balance : " + balance);
flag = true;
notifyAll();
}
} catch (InterruptedException ex) {
ex.printStackTrace();
}
}
}
定义一个存款线程类depositThread
package threads.sync;
public class DepositThread extends Thread {
private Account account;
private double depositAmount;
public DepositThread(String name, Account account, double depositAmount) {
super(name);
this.setAccount(account);
this.setDepositAmount(depositAmount);
}
public Account getAccount() {
return account;
}
public void setAccount(Account account) {
this.account = account;
}
public double getDepositAmount() {
return depositAmount;
}
public void setDepositAmount(double depositAmount) {
this.depositAmount = depositAmount;
}
public void run() {
for(int i=0 ; i<10; i++) {
account.deposit(depositAmount);
}
}
}
定义一个取款线程类depositThread
package threads.sync;
public class DrawThread extends Thread {
private Account account;
private double drawAmount;
public DrawThread(String name, Account account, double drawAmount) {
super(name);
this.setAccount(account);
this.setDrawAmount(drawAmount);
}
public Account getAccount() {
return account;
}
public void setAccount(Account account) {
this.account = account;
}
public double getDrawAmount() {
return drawAmount;
}
public void setDrawAmount(double drawAmount) {
this.drawAmount = drawAmount;
}
public void run() {
for(int i=0 ; i<10; i++) {
account.draw(drawAmount);
}
}
}
下面是测试类，存款线程中会有10次存款，三个取款线程中总共会有30次取款，
package threads.sync;
public class DrawTest {
public static void main(String[] args) {
Account acc = new Account("123456",1000);
new DrawThread("DrawThread", acc, 800).start();
new DepositThread("DepositThread-A",acc,800).start();
new DepositThread("DepositThread-B",acc,800).start();
new DepositThread("DepositThread-C",acc,800).start();
}
}
执行结果，
DepositThread-A deposit money: 800.0
balance : 1800.0
DrawThread draw money: 800.0
balance : 1000.0
DepositThread-B deposit money: 800.0
balance : 1800.0
DrawThread draw money: 800.0
balance : 1000.0
DepositThread-C deposit money: 800.0
balance : 1800.0
DrawThread draw money: 800.0
balance : 1000.0
DepositThread-C deposit money: 800.0
balance : 1800.0
DrawThread draw money: 800.0
balance : 1000.0
DepositThread-C deposit money: 800.0
balance : 1800.0
DrawThread draw money: 800.0
balance : 1000.0
DepositThread-C deposit money: 800.0
balance : 1800.0
DrawThread draw money: 800.0
balance : 1000.0
DepositThread-C deposit money: 800.0
balance : 1800.0
DrawThread draw money: 800.0
balance : 1000.0
DepositThread-A deposit money: 800.0
balance : 1800.0
从执行结果中可以看到，三个取款线程ABC执行顺序随机，但是总是在存款完成后，才会进行取款操作，而且无论存款还是取款，都不会同时进行两次。
使用condition控制线程通信
如果程序使用lock来同步线程的话，就要使用condition来进行线程通信。
在lock同步线程中，lock 对象就是一个显示的同步监视器，但是这个显示的同步监视器不直接阻塞或者通知线程，而是通过condition——lock对象通过调用newCondition方法返回一个与lock关联的condition对象，由condition对象来控制线程阻塞(await)和发出信号(single)唤醒其他线程。
与synchronized同步线程方式对应的是，conditions方式也提供了三个方法，
await:类似于synchronized隐式同步控制器对象调用的wait方法，可以阻塞当前线程，直到在别的线程中调用了condition的singal方法唤醒该线程。
signal:随机唤醒一个被await阻塞的线程。注意只有在当前线程已经释放lock同步监视器之后，被唤醒的其他线程才有机会执行。
signalAll:与上面类似，但是是唤醒所有线程。
下面用condition的方式来实现前面的银行取钱的例子，只需要修改Account类，改用lock同步线程，condition线程通信，
package threads.sync; import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; public class Account {
private String accountNo;
private double balance;
private boolean flag = false;
//显示定义lock对象
private final Lock lock = new ReentrantLock();
//获取lock对象对应的condition
private final Condition cond = lock.newCondition();
public Account() {} public Account(String accountNo, double balance) {
this.accountNo = accountNo;
this.balance = balance;
} public String getAccountNo() {
return accountNo;
} public void setAccountNo(String accountNo) {
this.accountNo = accountNo;
} public double getBalance() {
return balance;
} public void setBalance(double balance) {
this.balance = balance;
} public int hashCode() {
return accountNo.hashCode();
} public boolean equals(Object obj) {
if (this == obj) return true;
if (obj != null && obj.getClass() == Account.class) {
Account target = (Account)obj;
return target.getAccountNo().equals(accountNo);
}
return false;
} public void draw(double drawAmount) {
lock.lock();
try {
//if flag = false, means only deposit can be done, draw method will be blocked
if (!flag) {
//this.wait();
cond.await();
} else {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ " draw money: " + drawAmount);
balance -= drawAmount;
System.out.println(" "
+ " balance : " + balance);
flag = false;
//this.notifyAll();
cond.signalAll();
}
} catch (InterruptedException ex) {
ex.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
} public void deposit(double depositAmount) {
lock.lock();
try {
//if flag = false, means only draw can be done, deposit method will be blocked
if (flag) {
//this.wait();
cond.await();
} else {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+ " deposit money: " + depositAmount);
balance += depositAmount;
System.out.println(" "
+ " balance : " + balance);
flag = true;
//this.notifyAll();
cond.signalAll();
}
} catch (InterruptedException ex) {
ex.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
} }
对比用synchronized方式同步线程的例子，前面例子中是隐式的同步监视器（this）调用wait和notify来通信，
而本例是显示同步监视器(lock)的关联对象(condition)调用await和signal来通信，执行结果与前面一样不再给出。
使用阻塞队列(BlockingQueue)控制线程通信
BlockingQueue是JAVA5提供的一个队列接口，但这个队列并不是用作一个容器，而是作为线程的同步工具。
它可以很好地解决生产者消费者问题，而且比前面提到的两种方式更为灵活，
BlockingQueue的特征是，
当生产者线程试图向BlockingQueue存入元素时，如果队列已满，生产者线程将会阻塞，
当消费者线程试图从BlockingQueue取出元素时，如果队列为空，消费者线程将会阻塞
对比前面线程通信的例子，synchronized同步方法/代码块和lock+condition方式中，都只能控制生产者和消费者按固定顺序执行，
但BlockingQueue则是可以通过集合中的元素个数（商品数量）来控制线程执行顺序，通过调整集合容量可以控制线程切换的条件。
集合（商品）为空时，消费者阻塞，只能执行生产者线程；集合（商品）已满时，生产者阻塞，只能执行消费者线程。
BlockingQueue接口有很多实现类，下面演示最常用的实现类ArrayBlockQueue控制线程通信，
定义一个生产者线程类Producter
package threads.sync;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
public class Producter extends Thread {
private BlockingQueue<String> bq;
public Producter(BlockingQueue<String> bq) {
this.bq = bq;
}
public void run() {
String[] strArr = new String[] {
"Java",
"Struts",
"Spring"
};
for(int i = 0; i<999999; i++) {
System.out.println(getName()+" 生产者准备生产集合元素");
try {
Thread.sleep(200);
//如果队列已满，线程将阻塞
bq.put(strArr[i % 3]);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(getName()+" 生产完成: " + bq);
}
}
}
定义一个消费者类Consumer
package threads.sync;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
public class Consumer extends Thread {
private BlockingQueue<String> bq;
public Consumer(BlockingQueue<String> bq) {
this.bq = bq;
}
public void run() {
while (true) {
System.out.println(getName()+" 消费者准备消费集合元素");
try {
Thread.sleep(200);
//如果队列已空，线程将阻塞
bq.take();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(getName()+" 消费完成: " + bq);
}
}
}
在测试类中，定义一个容量为2的阻塞集合，
启动三个生产者线程， 每个线程都在不停生产商品，存入阻塞队列中，
启动一个消费者线程，每个线程也在不停从阻塞队列中取出商品，
package threads.sync; import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue; public class BlockingQueueTest {
public static void main(String[] args) {
BlockingQueue<String> bq = new ArrayBlockingQueue<String>(2);
new Producter(bq).start();
new Producter(bq).start();
new Producter(bq).start();
new Consumer(bq).start();
}
}
执行结果，从执行结果中可以看到，只要集合中有元素且集合没有满，那么生产者和消费者线程都有机会得到执行，具体谁有机会要看谁抢到CPU执行片，
但是当集合空了的时候，例如第7行（Thread-8 消费完成: []），接着又有一个消费者线程执行，但是因此集合为空而阻塞了，此时只有生产者线程能执行，
当集合满了的时候，例如第11行（Thread-7 生产完成: [Java, Java]），接着又有一个生产者线程执行，但是因为集合已满而阻塞了，此时只有消费者线程能执行。
Thread-5 生产者准备生产集合元素
Thread-6 生产者准备生产集合元素
Thread-7 生产者准备生产集合元素
Thread-8 消费者准备消费集合元素
Thread-5 生产完成: [Java]
Thread-5 生产者准备生产集合元素
7 Thread-8 消费完成: []
8 Thread-8 消费者准备消费集合元素
Thread-6 生产完成: [Java]
Thread-6 生产者准备生产集合元素
11 Thread-7 生产完成: [Java, Java]
12 Thread-7 生产者准备生产集合元素
Thread-8 消费完成: [Java]
Thread-8 消费者准备消费集合元素
Thread-5 生产完成: [Java, Struts]
Thread-5 生产者准备生产集合元素
Thread-8 消费完成: [Struts]
Thread-8 消费者准备消费集合元素
Thread-6 生产完成: [Struts, Struts]
Thread-6 生产者准备生产集合元素
Thread-8 消费完成: [Struts]
Thread-8 消费者准备消费集合元素
Thread-7 生产完成: [Struts, Struts]
Thread-7 生产者准备生产集合元素
Thread-8 消费完成: [Struts]
Thread-8 消费者准备消费集合元素
Thread-5 生产完成: [Struts, Spring]
Thread-5 生产者准备生产集合元素
Thread-8 消费完成: [Spring]
Thread-8 消费者准备消费集合元素
Thread-6 生产完成: [Spring, Spring]
Thread-6 生产者准备生产集合元素
Thread-8 消费完成: [Spring]
Thread-8 消费者准备消费集合元素
上面的例子来自李刚的疯狂JAVA， 但个人认为并不是太好，因为无论在生产者还是消费者线程中，打印bq操作前后的两段日志并不是原子操作，这会导致打印的日志不准确，
例如下面的运行结果，从第5行看到（Thread-6 生产完成: []），刚刚执行完一个生产者线程中的入队操作，但是打印队列却是空的，原因就在于在打印两行日志期间，消费者线做了取元素的操作。
Thread-6 生产者准备生产集合元素
Thread-5 生产者准备生产集合元素
Thread-7 生产者准备生产集合元素
Thread-8 消费者准备消费集合元素
5 Thread-6 生产完成: []
Thread-6 生产者准备生产集合元素
Thread-5 生产完成: [Java]
Thread-5 生产者准备生产集合元素
Thread-7 生产完成: [Java, Java]
Thread-7 生产者准备生产集合元素
Thread-8 消费完成: []
Thread-8 消费者准备消费集合元素
Thread-7 生产完成: [Java, Struts]
Thread-7 生产者准备生产集合元素
Thread-8 消费完成: [Java, Struts]
Thread-8 消费者准备消费集合元素
Thread-8 消费完成: [Struts]
Thread-5 生产完成: [Struts, Struts]
Thread-5 生产者准备生产集合元素
Thread-8 消费者准备消费集合元素
Thread-8 消费完成: [Struts]
Thread-8 消费者准备消费集合元素
Thread-6 生产完成: [Struts, Struts]
Thread-6 生产者准备生产集合元素
Thread-8 消费完成: [Struts]
Thread-8 消费者准备消费集合元素
Thread-6 生产完成: [Struts, Spring]
Thread-6 生产者准备生产集合元素
Thread-8 消费完成: [Spring]
Thread-8 消费者准备消费集合元素
Thread-5 生产完成: [Spring, Spring]
Thread-5 生产者准备生产集合元素
Thread-8 消费完成: [Spring]
Thread-8 消费者准备消费集合元素
Thread-5 生产完成: [Spring, Java]
Thread-5 生产者准备生产集合元素
Thread-8 消费完成: [Java]
Thread-8 消费者准备消费集合元素
Thread-6 生产完成: [Java, Java]
Thread-6 生产者准备生产集合元素
Thread-8 消费完成: [Java]
Thread-8 消费者准备消费集合元素
Thread-7 生产完成: [Java, Spring]
Thread-7 生产者准备生产集合元素
Thread-8 消费完成: [Spring]
Thread-8 消费者准备消费集合元素
Thread-7 生产完成: [Spring, Java]
Thread-7 生产者准备生产集合元素
Thread-8 消费完成: [Java]
Thread-8 消费者准备消费集合元素
Thread-7 生产完成: [Java, Struts]
Thread-7 生产者准备生产集合元素
Thread-8 消费完成: [Struts]
Thread-8 消费者准备消费集合元素
Thread-7 生产完成: [Struts, Spring]
Thread-7 生产者准备生产集合元素
Thread-8 消费完成: [Spring]
Thread-8 消费者准备消费集合元素
Thread-7 生产完成: [Spring, Java]
Thread-7 生产者准备生产集合元素
Thread-8 消费完成: [Java]
Thread-8 消费者准备消费集合元素
Thread-7 生产完成: [Java, Struts]
Thread-7 生产者准备生产集合元素
Thread-7 生产完成: [Struts, Spring]
Thread-7 生产者准备生产集合元素
Thread-8 消费完成: [Struts, Spring]
Thread-8 消费者准备消费集合元素
Thread-8 消费完成: [Spring]
Thread-8 消费者准备消费集合元素
Thread-5 生产完成: [Spring, Struts]
Thread-5 生产者准备生产集合元素
Thread-8 消费完成: [Struts]
Thread-8 消费者准备消费集合元素
Thread-6 生产完成: [Struts, Struts]
Thread-6 生产者准备生产集合元素
Thread-8 消费完成: [Struts, Spring]
Thread-8 消费者准备消费集合元素
Thread-6 生产完成: [Struts, Spring]
Thread-6 生产者准备生产集合元素
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