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【并发技术13】条件阻塞Condition的应用
武哥聊编程
发表于
今天周六，该休息休息，该浪浪，武哥还是来聊聊技术吧，如题。
Condition 将 Object 监听器方法（wait、notify 和 notifyAll）分解成截然不同的对象，以便通过将这些对象与任意 Lock 实现组合使用，为每个对象提供多个等待 set（wait-set）。其中，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。
1. Condition的基本使用
由于 Condition 可以用来替代 wait、notify 等方法，所以可以对比着之前写过的传统线程同步通信技术的代码来看，先来回顾一下原来的问题：
有两个线程，子线程先执行10次，然后主线程执行5次，然后再切换到子线程执行10，再主线程执行5次……如此往返执行50次。
之前用 wait 和notify 来实现的，现在用 Condition 来改写一下，代码如下：
public class ConditionCommunication {
public static void main(String[] args) {
Business bussiness = new Business();
new Thread(new Runnable() {// 开启一个子线程
@Override
public void run() {
for (int i = 1; i <= 50; i++) {
bussiness.sub(i);
}
}
}).start();
// main方法主线程
for (int i = 1; i <= 50; i++) {
bussiness.main(i);
}
}
}
class Business {
Lock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition(); //Condition是在具体的lock之上的
private boolean bShouldSub = true;
public void sub(int i) {
lock.lock();
try {
while (!bShouldSub) {
try {
condition.await(); //用condition来调用await方法
} catch (Exception e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
for (int j = 1; j <= 10; j++) {
System.out.println("sub thread sequence of " + j
+ ", loop of " + i);
}
bShouldSub = false;
condition.signal(); //用condition来发出唤醒信号，唤醒某一个
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void main(int i) {
lock.lock();
try {
while (bShouldSub) {
try {
condition.await(); //用condition来调用await方法
} catch (Exception e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
for (int j = 1; j <= 10; j++) {
System.out.println("main thread sequence of " + j
+ ", loop of " + i);
}
bShouldSub = true;
condition.signal(); //用condition来发出唤醒信号么，唤醒某一个
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
从代码来看，Condition 的使用是和 Lock 一起的，没有 Lock 就没法使用 Condition，因为 Condition 是通过 Lock 来 new 出来的，这种用法很简单，只要掌握了 synchronized 和 wait、notify 的使用，完全可以掌握 Lock 和 Condition 的使用。
2. Condition的拔高
2.1 缓冲区的阻塞队列
上面使用 Lock 和 Condition 来代替 synchronized 和 Object 监视器方法实现了两个线程之间的通信，现在再来写个稍微高级点的应用：模拟缓冲区的阻塞队列。
什么叫缓冲区呢？举个例子，现在有很多人要发消息，我是中转站，我要帮别人把消息发出去，那么现在我就需要做两件事，一件事是接受用户发过来的消息，并按照顺序放到缓冲区，另一件事是从缓冲区按顺序取出用户发过来的消息，并发送出去。
现在把这个实际的问题抽象一下：缓冲区即一个数组，我们可以向数组种写入数据，也可以从数组种把数据取走，我要做的两件事就是开启两个线程，一个存数据，一个取数据。但是问题来了，如果缓冲区满了，说明接收的消息太多了，即发送过来的消息太快了，我另一个线程还来不及发完，导致现在的缓冲区没地方放了，那么此时就得阻塞存数据这个线程，让其等待；相反，如果我转发的太快，现在缓冲区所有内容都被我发完了，还没有用户发新的消息来，那么此时就得阻塞取数据这个线程。
好了，分析完了这个缓冲区的阻塞队列，下面就用 Condition 技术来实现一下。
class Buffer {
final Lock lock = new ReentrantLock(); //定义一个锁
final Condition notFull = lock.newCondition(); //定义阻塞队列满了的Condition
final Condition notEmpty = lock.newCondition();//定义阻塞队列空了的Condition
final Object[] items = new Object[10]; //为了下面模拟，设置阻塞队列的大小为10，不要设太大
int putptr, takeptr, count; //数组下标，用来标定位置的
//往队列中存数据
public void put(Object x) throws InterruptedException {
lock.lock(); //上锁
try {
while (count == items.length) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被阻塞了，暂时无法存数据！");
notFull.await(); //如果队列满了，那么阻塞存数据这个线程，等待被唤醒
}
//如果没满，按顺序往数组中存
items[putptr] = x;
if (++putptr == items.length) //这是到达数组末端的判断，如果到了，再回到始端
putptr = 0;
++count; //消息数量
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 存好了值： " + x);
notEmpty.signal(); //好了，现在队列中有数据了，唤醒队列空的那个线程，可以取数据啦
} finally {
lock.unlock(); //放锁
}
}
//从队列中取数据
public Object take() throws InterruptedException {
lock.lock(); //上锁
try {
while (count == 0) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 被阻塞了，暂时无法取数据！");
notEmpty.await(); //如果队列是空，那么阻塞取数据这个线程，等待被唤醒
}
//如果没空，按顺序从数组中取
Object x = items[takeptr];
if (++takeptr == items.length) //判断是否到达末端，如果到了，再回到始端
takeptr = 0;
--count; //消息数量
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 取出了值： " + x);
notFull.signal(); //好了，现在队列中有位置了，唤醒队列满的那个线程，可以存数据啦
return x;
} finally {
lock.unlock(); //放锁
}
}
}
这个程序很经典，我是从官方 JDK 文档中拿出来的，然后加了注释。程序中定义了来两个 Condition，分别针对两个线程，等待和唤醒分别用不同的 Condition 来执行，思路很清晰，程序也很健壮。
可以考虑一个问题，为啥要用两个 Condition 呢？之所以这么设计肯定是有原因的：如果用一个 Condition，现在假设队列满了，但是有 2 个线程 A 和 B 同时存数据，那么都进入了睡眠，好，现在另一个线程取走一个了，然后唤醒了其中一个线程 A，那么 A 可以存了，存完后， A 又唤醒一个线程，如果 B 被唤醒了，那就出问题了，因为此时队列是满的，B 不能存的，B存的话就会覆盖原来还没被取走的只，这就是一个 Condition 带来的问题。
来测试一下上面的阻塞队列的效果。
public class BoundedBuffer {
public static void main(String[] args) {
Buffer buffer = new Buffer();
for(int i = 0; i < 5; i ++) { //开启5个线程往缓冲区存数据
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
buffer.put(new Random().nextInt(1000)); //随机存数据
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
}
for(int i = 0; i < 10; i ++) { //开启10个线程从缓冲区中取数据
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
buffer.take(); //从缓冲区取数据
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}).start();
}
}
}
我故意只开启 5 个线程存数据，10 个线程取数据，就是想让它出现取数据被阻塞的情况发生，看运行的结果。
Thread-5 被阻塞了，暂时无法取数据！
Thread-10 被阻塞了，暂时无法取数据！
Thread-1 存好了值： 755
Thread-0 存好了值： 206
Thread-2 存好了值： 741
Thread-3 存好了值： 381
Thread-14 取出了值： 755
Thread-4 存好了值： 783
Thread-6 取出了值： 206
Thread-7 取出了值： 741
Thread-8 取出了值： 381
Thread-9 取出了值： 783
Thread-5 被阻塞了，暂时无法取数据！
Thread-11 被阻塞了，暂时无法取数据！
Thread-12 被阻塞了，暂时无法取数据！
Thread-10 被阻塞了，暂时无法取数据！
Thread-13 被阻塞了，暂时无法取数据！
从结果中可以看出，线程 5 和10 抢先执行，发现队列中没有，于是就被阻塞了，睡在那了，知道队列中有新的值存入才可以取，但是他们两运气不好，存的数据又被其他线程前线取走了……可以多运行几次。如果想要看到存数据被阻塞，可以将取数据的线程设置少一点，这里我就不设了。
2.2 两个以上线程之间的唤醒
还是原来那个题目，现在让三个线程来执行，看一下题目：
有三个线程，子线程1先执行10次，然后子线程2执行10次，然后主线程执行5次，然后再切换到子线程1执行10次，子线程2执行10次，主线程执行5次……如此往返执行50次。
如果不用 Condition，还真不好弄，但是用 Condition 来做的话，就非常方便了，原理很简单，定义三个 Condition，子线程 1 执行完唤醒子线程 2，子线程 2 执行完唤醒主线程，主线程执行完唤醒子线程1。唤醒机制和上面那个缓冲区道理差不多，下面附上代码。
public class ThreeConditionCommunication {
public static void main(String[] args) {
Business bussiness = new Business();
new Thread(new Runnable() {// 开启一个子线程
@Override
public void run() {
for (int i = 1; i <= 50; i++) {
bussiness.sub1(i);
}
}
}).start();
new Thread(new Runnable() {// 开启另一个子线程
@Override
public void run() {
for (int i = 1; i <= 50; i++) {
bussiness.sub2(i);
}
}
}).start();
// main方法主线程
for (int i = 1; i <= 50; i++) {
bussiness.main(i);
}
}
static class Business {
Lock lock = new ReentrantLock();
Condition condition1 = lock.newCondition(); //Condition是在具体的lock之上的
Condition condition2 = lock.newCondition();
Condition conditionMain = lock.newCondition();
private int bShouldSub = 0;
public void sub1(int i) {
lock.lock();
try {
while (bShouldSub != 0) {
try {
condition1.await(); //用condition来调用await方法
} catch (Exception e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
for (int j = 1; j <= 10; j++) {
System.out.println("sub1 thread sequence of " + j
+ ", loop of " + i);
}
bShouldSub = 1;
condition2.signal(); //让线程2执行
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void sub2(int i) {
lock.lock();
try {
while (bShouldSub != 1) {
try {
condition2.await(); //用condition来调用await方法
} catch (Exception e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
for (int j = 1; j <= 10; j++) {
System.out.println("sub2 thread sequence of " + j
+ ", loop of " + i);
}
bShouldSub = 2;
conditionMain.signal(); //让主线程执行
} finally {
lock.unlock();
}
}
public void main(int i) {
lock.lock();
try {
while (bShouldSub != 2) {
try {
conditionMain.await(); //用condition来调用await方法
} catch (Exception e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
for (int j = 1; j <= 5; j++) {
System.out.println("main thread sequence of " + j
+ ", loop of " + i);
}
bShouldSub = 0;
condition1.signal(); //让线程1执行
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
}
关于线程中 Condition 技术就分享这么多吧。
这里有技术、有段子、有生活、有感悟、有资源，要不然怎么叫『程序员私房菜』呢？什么？你不是程序员？这有关系吗？来吧，还等什么~
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