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
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。
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