Java并发编程-Lock锁与生产者消费者问题

程序员文章站 2022-09-29 16:39:39

传统Synchronized锁实现一个基本的售票例子：/*真正的多线程开发，公司中的开发,降低耦合性线程就是一个单独的资源类，没有任何附属的操作1.属性，方法 * */public class SaleTicketDemo1 { public static void main(String[] args) { //并发，多个线程操作同一个资源类,把资源类丢入线程 Ticket ticket=new Ticket(); //Runnable...

Lock锁与生产者消费者问题

传统Synchronized锁
Lock锁
Synchronized和lock锁的区别
传统的生产者和消费者问题
Lock版的生产者和消费者问题
Condition实现精准通知唤醒

传统Synchronized锁

实现一个基本的售票例子：

/*
真正的多线程开发，公司中的开发,降低耦合性
线程就是一个单独的资源类，没有任何附属的操作
1.属性，方法
 * */
public class SaleTicketDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        //并发，多个线程操作同一个资源类,把资源类丢入线程
        Ticket ticket=new Ticket();
        //Runnable借口是一个FunationalInterface函数式接口，接口可以new,jdk1.8以后，lamda表达式()->{代码}
        new Thread(()->{
            for(int i=0;i<60;i++){
                ticket.sale();
            }
        },"A").start();
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for(int i=0;i<60;i++){
                    ticket.sale();
                }
            }
        },"B").start();
        new Thread(()->{
            for(int i=0;i<60;i++){
                ticket.sale();
            }
        },"C").start();
    }
}
//资源类 OOP
class Ticket{
    //属性，方法
    private int number=50;
    //卖票的方式
    //synchronized本质：队列，所
    public synchronized void sale(){
        if(number>0){
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"卖出了"+(number--)+"票,剩余"+number);
        }
    }
}

注意，这里面用到了lambda表达式，lambda表达式详细描述见Java基础-Lambda表达式

Java并发编程-Lock锁与生产者消费者问题
这是使用传统的synchronized实现并发，synchronized的本质就是队列，锁。就好比食堂排队。如果没有排队，就会很乱。只有给一个人服务完成了，另一个人才能接收到服务。

Lock锁

之前已经说道，JVM提供了synchronized关键字来实现对变量的同步访问以及用wait和notify来实现线程间通信。在jdk1.5以后，JAVA提供了Lock类来实现和synchronized一样的功能，并且还提供了Condition来显示线程间通信。
Lock类是Java类来提供的功能，丰富的api使得Lock类的同步功能比synchronized的同步更强大。
在java.util. Concurrent包中，里面有3个接口，Condition，lock(标准锁)。ReadWriteLock锁（读写锁）
Lock实现提供比使用synchronized方法和语句可以获得的更广泛的锁定操作。它们允许更灵活的结构化，可能具有完全不同的属性，并且可以支持多个相关联的对象Condition。

Lock l = ...; l.lock(); 
try { // access the resource protected by this lock } 
finally 
{ l.unlock(); }

lock()表示加锁，unlock()表示解锁
JDK官方文档中解释
Java并发编程-Lock锁与生产者消费者问题
所有已知实现类：
ReentrantLock可重入锁
ReentrantReadWriteLock.ReadLock 读锁
ReentrantReadWriteLock.writeLock写锁

先说ReentrantLock实现类：
ReentrantLock底层源码构造函数
Java并发编程-Lock锁与生产者消费者问题
公平锁：十分公平，可以先来后到。但是问题如果一个3s和一个3h的进程到达，3h先，那么3s等3h，实际上也不利。
非公平锁：十分不公平，可以插队（默认）
之后，我们会具体解释。

怎么用，用之前加锁，用之后解锁

//lock锁三部曲
//1.new ReentranLock();构造
//2.Lock.lock();加锁
//3.finally();解锁

public class SaleTicketDemo2 {
	public static void main(String[] args) {
		//并发，多个线程操作同一个资源类,把资源类丢入线程
		Ticket ticket=new Ticket();
		//Runnable借口是一个FunationalInterface函数式接口，接口可以new,jdk1.8以后，lamda表达式()->{代码}
		new Thread(()->{for(int i=0;i<60;i++)ticket.sale();},"A").start();
		new Thread(()->{for(int i=0;i<60;i++)ticket.sale();},"B").start();
		new Thread(()->{for(int i=0;i<60;i++)ticket.sale();},"C").start();
	}
}
//资源类 OOP
//lock锁三部曲
//1.new ReentranLock();
//2.Lock.lock();加锁
//3.finally();解锁
class Ticket2{
	//属性，方法
	private int number=50;
	//卖票的方式
	//synchronized本质：队列，所
	Lock lock=new ReentrantLock();
	
	public void sale(){
		lock.lock();
		try {
			//业务代码
			if(number>0){
				System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"卖出了"+(number--)+"票,剩余"+number);
			}
		} catch (Exception e) {
			// TODO: handle exception
		}finally{
			lock.unlock();
		}	
	}
}

Synchronized和lock锁的区别

1.synchronized是内置的java关键字，lock是一个Java类
2.synchronized无法判断获取锁的状态，lock可以判断是否获取到了锁
3.synchronized会自动释放锁(a–),lock必须要手动释放锁！如果不释放锁，会导致死锁
4.Synchronized线程1（获得锁，阻塞），线程2（等待，傻傻的等）
lock.tryLock()尝试获取锁，不一定会一直等待下去
5.Synchronized可重入锁，不可以中断的，非公平锁。Lock,可重入锁，可以判断锁，公平与非公平可以自己设置（可以自己设置）
6.synchronized适合少量的代码同步问题，lock锁适合锁大量的同步代码
synchornized锁对象和同步代码块方法

传统的生产者和消费者问题

传统的生产者和消费者是基于Object类的wait、notify方法和synchronized关键字来实现的。
在面试的时候，手写生产者消费者代码是很常见的事情。
面试笔试经典问题：
单例模式+排序算法+生产者消费者+死锁
生产者消费者问题synchronized版

线程之间的通信问题：生产者和消费者问题等待唤醒，通知唤醒
线程交替执行 A B 操作同一个变量number=0
A num+1
B num-1
注意：加锁的方法中，执行的思路是判断等待+业务+通知

package testConcurrent;
/*
线程之间的通信问题：生产者和消费者问题    等待唤醒，通知唤醒
线程交替执行 A B 操作同一个变量number=0
A num+1
B num-1

 * */
public class A {
	public static void main(String[] args) {
		Data data =new Data();
		new Thread(()->{
			for(int i=0;i<10;i++){
				try {
					data.increment();
				} catch (Exception e) {
					// TODO Auto-generated catch block
					e.printStackTrace();
				}
			}
		},"A").start();
		new Thread(()->{
			for(int i=0;i<10;i++){
				try {
					data.decrement();
				} catch (Exception e) {
					// TODO Auto-generated catch block
					e.printStackTrace();
				}
			}
		},"B").start();	
	}
}
//判断等待+业务+通知
class Data{		//数字。资源类
	private int number=0;
	
	//+1。多线程的情况下一定要加锁。
	public synchronized void increment() throws InterruptedException{
		//判断是否需要等待，如果不需要，就需要干活进行业务操作
		if(number!=0){			//等于1的时候，需要等待，缓冲区只有1个空位置
			//等待操作
			this.wait();
		}
		number++;		//进行业务操作
		System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+number);
		//通知其他线程，我+1完毕了
		this.notify();
	}
	//-1
	public synchronized void decrement() throws InterruptedException{
		if(number==0){
			//等待
			this.wait();
		}
		number--;
		System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+number);
		//通知其他线程，我-1完毕了
		this.notify();
	}
}

Java并发编程-Lock锁与生产者消费者问题
如图，基本可以实现所要求的功能，但是这样还会出现问题，如果此时我再加上了两个线程，则

		new Thread(()->{
			for(int i=0;i<10;i++){
				try {
					data.increment();
				} catch (Exception e) {
					// TODO Auto-generated catch block
					e.printStackTrace();
				}
			}
		},"C").start();
		new Thread(()->{
			for(int i=0;i<10;i++){
				try {
					data.decrement();
				} catch (Exception e) {
					// TODO Auto-generated catch block
					e.printStackTrace();
				}
			}
		},"D").start();

Java并发编程-Lock锁与生产者消费者问题
这里结果中出现了2，输出结果出现了问题。为什么呢？
为什么if判断会出现问题：
if判断只判断一次。因为if判断了之后，就已经进入了代码的等待那一行，这时，在wait下的线程可能有多个，甚至包括生产者和消费者。有可能某个生产者执行完了之后，唤醒的是另一个生产者。

在我们的官方文档中就给出了解释

public final void wait(long timeout)
                throws InterruptedException

导致当前线程等待，直到另一个线程调用此对象的notify()方法或notifyAll()方法，或指定的时间已过。
线程也可以唤醒，而不会被通知，中断或超时，即所谓的虚假唤醒。虽然这在实践中很少会发生，但应用程序必须通过测试应该使线程被唤醒的条件来防范，并且如果条件不满足则继续等待。换句话说，等待应该总是出现在循环中，就像这样：

 synchronized (obj) {
         while (<condition does not hold>)
             obj.wait(timeout);
         ... // Perform action appropriate to condition
     }

注意点：防止虚假唤醒问题。
我们代码中用的是if判断，而应该用while判断

package testConcurrent;
/*
线程之间的通信问题：生产者和消费者问题    等待唤醒，通知唤醒
线程交替执行 A B 操作同一个变量number=0
A num+1
B num-1

 * */
public class A {
    public static void main(String[] args) {
        Data data =new Data();
        new Thread(()->{
            for(int i=0;i<10;i++){
                try {
                    data.increment();
                } catch (Exception e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"A").start();
        new Thread(()->{
            for(int i=0;i<10;i++){
                try {
                    data.decrement();
                } catch (Exception e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"B").start();
        new Thread(()->{
            for(int i=0;i<10;i++){
                try {
                    data.increment();
                } catch (Exception e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"C").start();
        new Thread(()->{
            for(int i=0;i<10;i++){
                try {
                    data.decrement();
                } catch (Exception e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        },"D").start();
        
    }
}
//判断等待+业务+通知
class Data{     //数字。资源类
    private int number=0;
    
    //+1
    public synchronized void increment() throws InterruptedException{
        //判断是否需要等待，如果不需要，就需要干活进行业务操作
        while(number!=0){           //等于1的时候，需要等待，缓冲区只有1个空位置
            //等待操作
            this.wait();
        }
        number++;       //进行业务操作
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+number);
        //通知其他线程，我+1完毕了
        this.notify();
    }
    //-1
    public synchronized void decrement() throws InterruptedException{
        while(number==0){
            //等待
            this.wait();
        }
        number--;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+number);
        //通知其他线程，我-1完毕了
        this.notify();
    }
}

Lock版的生产者和消费者问题

在synchronized版本中，我们使用了wait和notify来实现线程之间的同步
在lock中，
此时synchronized被lock替换了，那么wait和notify用什么来替换呢？
我们在官方文档java.util.concurrent.locks 中，找到Lock类，然后在底部找到了
Condition newCondition()
返回一个新Condition绑定到该实例Lock实例。
在等待条件之前，锁必须由当前线程保持。呼叫Condition.await()将在等待之前将原子释放锁，并在等待返回之前重新获取锁。
然后我们再来了解Condition类
Condition 将 Object 监视器方法（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。
一个Condition实例本质上绑定到一个锁。要获得特定Condition实例的Condition实例，请使用其newCondition()方法。

Java并发编程-Lock锁与生产者消费者问题
我们可以看到，使用的时候new一个Condition对象。然后用await替代wait,signal替换notify
代码实现
//判断等待+业务+通知

class Data2{		//数字。资源类
	private int number=0;
	Lock lock=new ReentrantLock();
	Condition condition=lock.newCondition();
	//+1
	public void increment() throws InterruptedException{
		try {
			lock.lock();
			//业务代码
			while(number!=0){		
				//等待
				condition.await();
			}
			number++;		
			System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+number);
			condition.signalAll();		//通知
		} catch (Exception e) {
			// TODO: handle exception
		}finally{
			lock.unlock();
		}
	}
	//-1
	public void decrement() throws InterruptedException{
		try {
			lock.lock();
			//业务代码
			while(number!=1){		
				//等待
				condition.await();
			}
			number--;		
			System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+number);
			condition.signalAll();		//通知
		} catch (Exception e) {
			// TODO: handle exception
		}finally{
			lock.unlock();
		}
	}	
}

注意：主函数部分于最上面的代码一样。

Java并发编程-Lock锁与生产者消费者问题
这时候虽然说是正确的，但是它是一个随机分布的状态，现在我们希望它有序执行，即A执行完了执行B，B执行C，C完了执行D。即精准通知。

Condition实现精准通知唤醒

Condition实现精准的通知和唤醒
我们构造三个线程，要求A执行完了执行B，B执行完了执行C，C执行完了执行D.
代码思想：
//加多个监视器，通过监视器来判断唤醒的是哪一个人
//设置多个同步监视器，每个监视器监视一个线程
//实例：生产线，下单->支付->交易->物流

package testConcurrent;

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/*
A执行完调用B,B执行完调用C，C执行完调用A
 * */
public class C {

    public static void main(String[] args) {
        Data3 data=new Data3();
        new Thread(()->{
            for(int i=0;i<10;i++){
                data.printA();
            }
        },"A").start();
        new Thread(()->{
            for(int i=0;i<10;i++){
                data.printB();
            }
        },"B").start();
        new Thread(()->{
            for(int i=0;i<10;i++){
                data.printC();
            }
        },"C").start();
    }
}
class Data3{    //资源类
    private Lock lock=new ReentrantLock();
    //加多个监视器，通过监视器来判断唤醒的是哪一个人
    //设置多个同步监视器，每个监视器监视一个线程
    //实例：生产线，下单->支付->交易->物流
    private Condition condition1=lock.newCondition();
    private Condition condition2=lock.newCondition();
    private Condition condition3=lock.newCondition();
    private int number=1;       //1A 2B 3C
    public void printA(){
        lock.lock();
        try {
            //业务，判断->执行->通知
            while(number!=1){
                //等待
                condition1.await();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>AAAAAAA");
            //唤醒，唤醒指定的人，B
            number=2;           //精准唤醒
            condition2.signal();
            
        } catch (Exception e) {
            // TODO: handle exception
        }finally{
            lock.unlock();
        }
    }   
    public void printB(){
        lock.lock();
        try {
            //业务，判断->执行->通知
            while(number!=2){
                //等待
                condition2.await();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>BBBBBBB");
            //唤醒，唤醒指定的人，C
            number=3;           //精准唤醒
            condition3.signal();
            
        } catch (Exception e) {
            // TODO: handle exception
        }finally{
            lock.unlock();
        }
    }
    public void printC(){
        lock.lock();
        try {
            //业务，判断->执行->通知
            while(number!=3){
                //等待
                condition3.await();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>CCCCCCC");
            //唤醒，唤醒指定的人，A
            number=1;           //精准唤醒
            condition1.signal();
            
        } catch (Exception e) {
            // TODO: handle exception
        }finally{
            lock.unlock();
        }
    }
}

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