java多线程-初探（四）

骑猪看日落 2022-04-11 09:52 275阅读 0赞

# [java多线程-初探（三）][java_-] #

### 本文阐述经典的多线程生产者、消费者模型。 ###

### 涉及线程等待、唤醒、死锁以及常用的synchronized跟JDK5的Lock接口两种方式的知识点。 ###

**生产者、消费者模型初步理解**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3draF9fXw_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

生产者：负责给资源中保存数据（资源），当资源中的数据被放满了，这时生产者就应该停止继续保存数据。

消费者：负责从资源中取出数据进行消费。当资源中的数据被取完，这时就应该停止取出数据的动作。

生产者在给资源中保存数据的时候，应该需要判断资源中的数据是否已经保存满了。

消费者在从资源中取出数据的时候，应该判断资源中是否有数据。

### **单生产，单消费多线程初步实现** ###

class Main

package com.thread.four;
    
    public class Main {
    
        public static void main(String[] args) {
            //创建资源类
            Resource resource = new Resource() ;
            //创建生产者
            Producer producer = new Producer(resource) ;
            //创建消费者
            Consumer consumer = new Consumer(resource) ;
            //创建线程类
            Thread producerThread = new Thread(producer) ;//生产者的线程
            Thread consumerThread = new Thread(consumer) ;//消费者的线程
            //启动线程
            producerThread.start();
            consumerThread.start();
        }
    }

class Producer

package com.thread.four;
    
    /**
     * 生产者
     * @author w954
     *
     */
    public class Producer implements Runnable{
    
    	private Resource resource ;
    	
    	public Producer(Resource resource){
    		this.resource = resource;
    	}
    
    	@Override
    	public void run(){
    		for(int i = 0 ; i <= 100 ; i++){
    			resource.setResource("一大碗白米饭");
    		}
    	}
    	
    }

class Consumer

package com.thread.four;
    
    /**
     * 消费者
     * @author w954
     *
     */
    public class Consumer implements Runnable{
    
    	private Resource resource ;
    	
    	public Consumer(Resource resource){
    		this.resource = resource;
    	}
    
    	public void run(){
    		for(int i = 0 ; i <= 100 ; i++){
    			resource.getResource();
    		}
    	}
    }

class Resource

package com.thread.four;
    
    /**
     * 资源类
     * @author 	w954
     *
     */
    public class Resource{
    
    	// 定义资源
    	private String resource ;
    
    	// 定义锁
    	private static final Object lock = new Object();
    
    	int count = 1;
    
    	/**
    	 * 生产者调用的生产资源的方法
    	 * @param resourceName	资源名
    	 */
    	public void setResource(String resourceName){
    		synchronized (lock) {
    			if(resource == null) {
    				resource = resourceName + count++;
    				System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "----生产者----已生产：" + resource);
    			}
    		}
    	}
    
    	/**
    	 * 消费者调用的消费资源的方法
    	 */
    	public void getResource(){
    		synchronized (lock) {
    			if(resource != null) {
    				System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--消费者--已消费：" + resource);
    				resource = null;
    			}
    		}
    	}
    
    }

**控制台输出**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3draF9fXw_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

**我们想要的结果**

一生产一消费，生产者生产完一个资源，消费者就消费一个资源。

并且预计是生产100碗饭，消费也是消费100碗饭。

**上述代码可能导致的现象**

生产者一直在生产、消费者一直在消费。

**导致原因**

生产者的cpu一直没有切换到消费者，导致生产者一直在生产饭。

消费者的cpu一直没有切换到生产者，导致消费者一直在消费饭。但是代码判断非空了，所以没有打印。

**解决思路**

生产者生产的时候判断现在有没有饭，如果有就唤醒消费者先去消费，消费者消费完成之后唤醒生产者去生产饭，以此达到和谐。  
  
**关键性代码**

class Resource

/**
    	 * 生产者调用的生产资源的方法
    	 * @param resourceName	资源名
    	 */
    	public void setResource(String resourceName){
    		synchronized (lock) {
    			if(resource != null) {
    				// 资源不为空，自己等待
    				try {
    					lock.wait();
    				} catch (InterruptedException e) {
    					e.printStackTrace();
    				}
    			}
    			resource = resourceName + count++;
    			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "----生产者----已生产：" + resource);
    			// 生产完成，现在有资源了，唤醒消费者去消费
    			lock.notify();
    		}
    	}
    
    	/**
    	 * 消费者调用的消费资源的方法
    	 */
    	public void getResource(){
    		synchronized (lock) {
    			if(resource == null) {
    				// 没资源了，自己等待
    				try {
    					lock.wait();
    				} catch (InterruptedException e) {
    					e.printStackTrace();
    				}
    			}
    			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--消费者--已消费：" + resource);
    			resource = null;
    			// 消费完成，现在没有资源了，唤醒生产者去生产
    			lock.notify();
    		}
    	}

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3draF9fXw_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

以此和谐得不得了。接下来解释一下上述代码。

**wait**

当线程执行wait方法时，会把当前的锁释放，然后让出CPU，进入等待状态。

**notify**

当执行notify方法时，会唤醒一个处于等待该对象锁的线程，然后继续往下执行。

解释完上述两个等待唤醒啥意思后，我们来简单读一下代码。

首次当消费者来调用getResource函数消费的时候，发现resource==null。于是消费者调用wait函数，自己等待，把lock这个对象锁释放了。cpu此时就会跑到其他空闲线程上，发现有一个生产者线程，就执行生产者，生产者获取锁进入同步代码块（消费者等待的时候已经把锁释放了），判断资源为空，就去生产资源了，生产完成就调用notify函数，唤醒刚刚等待这个lock对象锁的消费者线程，从刚刚消费者等待那里接着往下执行，消费者就去消费了，消费完又唤醒等待这个对象锁的线程，此时发现没有等待的线程，cpu就随意切换了。切换到哪个都能正常执行。

### **多生产，多消费实现** ###

所谓多生产多消费就是把生产者弄成多个，消费者也多个。

我们刚刚的代码可以看到生产者就一个，消费者也就一个。

我们先直接更改代码运行看看会出现什么问题。

class Main

package com.thread.four;
    
    public class Main {
    
        public static void main(String[] args) {
            //创建资源类
            Resource resource = new Resource() ;
            //创建生产者
            Producer producer = new Producer(resource) ;
            //创建消费者
            Consumer consumer = new Consumer(resource) ;
            //创建线程类
            Thread producerThread = new Thread(producer) ;//生产者的线程
            Thread producerThread1 = new Thread(producer) ;//生产者的线程
            Thread consumerThread = new Thread(consumer) ;//消费者的线程
            Thread consumerThread1 = new Thread(consumer) ;//消费者的线程
            //启动线程
            producerThread.start();
            producerThread1.start();
            consumerThread.start();
            consumerThread1.start();
        }
    }

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3draF9fXw_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

出现了消费者消费null的情况。为啥嘞？？？？

**导致原因**

最根本的原因是因为消费者唤醒了上一个在等待的消费者。

我们来理解一下这句话，假设上一个消费者执行到判断资源的时候，发现没有资源，于是处于等待。

这时cpu该死没切到我们想要的生产者线程上，它跑到了另一个消费者线程上，那这个消费者又来了。发现没资源，又等待。

现在的状态就是两个处于等待的消费者线程，两个空闲的生产者线程。

这时cpu终于切换到了生产者线程上，这时候生产者生产完资源，执行完成该唤醒处于等待这个lock锁的对象的线程（也就是那两个处于等待的消费者其中一个），唤醒某一个消费者之后，这个消费者消费了资源，又接下去又执行唤醒处于等待这个lock锁对象的线程（也就是另一个处于等待的消费者），这时这个消费者醒了，当他去消费时候，这时资源已经被上一个消费者消费了。所以这个消费者就输出null。

**初步解决思路**

消费者或者生产者唤醒之后，再判断一次是否有商品。这样是否就解决了？

class Resource

/**
    	 * 生产者调用的生产资源的方法
    	 * @param resourceName	资源名
    	 */
    	public void setResource(String resourceName){
    		synchronized (lock) {
    			while (resource != null) {
    				// 资源不为空，自己等待
    				try {
    					lock.wait();
    				} catch (InterruptedException e) {
    					e.printStackTrace();
    				}
    			}
    			resource = resourceName + count++;
    			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "----生产者----已生产：" + resource);
    			// 生产完成，现在有资源了，唤醒消费者去消费
    			lock.notify();
    		}
    	}
    
    	/**
    	 * 消费者调用的消费资源的方法
    	 */
    	public void getResource(){
    		synchronized (lock) {
    			while (resource == null) {
    				// 没资源了，自己等待，让生产者先去生产
    				try {
    					lock.wait();
    				} catch (InterruptedException e) {
    					e.printStackTrace();
    				}
    			}
    			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--消费者--已消费：" + resource);
    			resource = null;
    			// 消费完成，现在没有资源了，唤醒生产者去生产
    			lock.notify();
    		}
    	}

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3draF9fXw_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

把if的判断改成while，这样确实每次都会判断了。

但是代码出现bug了，执行到一半，程序不动了。这种现象称为**死锁现象**

**上述代码错误原因分析**

生产者1生产完资源进入等待的栈内存中，cpu切换到生产者2上，生产者2判断是否有资源，此时有资源，生产者2调用wait函数也进入栈内存等待了。此时两个生产者都在栈内存中等待。

这时cpu切换到消费者1身上，消费者1把资源消费完成之后进入栈内存等待，同时调用notify函数把两个生产者其中一个唤醒了，假设生产者1被唤醒了，但是此时cpu却切换到消费者2身上，消费者2判断没有资源也进入等待的栈内存中。

此时栈内存中等待的分别是生产者2、消费者1、消费者2

这是cpu执行到生产者1，生产者1判断没有资源则生产完资源后也进入栈内存等待，这时调用notify函数唤醒一个等待的线程，**这时如果唤醒的是生产者2**，那生产者2判断是否有资源，有资源也进入栈内存等待了。

结果就是四个线程全在等待。导致程序无法继续执行。

**在JDK1.5之前的解决上述这个死锁的方案**

将notify函数改成notifyAll函数。

notity：唤醒一个等待该锁对象的等待线程。

notify：唤醒所有在等待该锁对象的等待线程。

如果不管是生产者还是消费者，唤醒的时候把栈内存中所有的线程都唤醒是不是就能解决？  
我们来试试看！

class Main

/**
    	 * 生产者调用的生产资源的方法
    	 * @param resourceName	资源名
    	 */
    	public void setResource(String resourceName){
    		synchronized (lock) {
    			while (resource != null) {
    				// 资源不为空，自己等待
    				try {
    					lock.wait();
    				} catch (InterruptedException e) {
    					e.printStackTrace();
    				}
    			}
    			resource = resourceName + count++;
    			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "----生产者----已生产：" + resource);
    			// 生产完成，现在有资源了，唤醒消费者去消费
    			lock.notifyAll();
    		}
    	}
    
    	/**
    	 * 消费者调用的消费资源的方法
    	 */
    	public void getResource(){
    		synchronized (lock) {
    			while (resource == null) {
    				// 没资源了，自己等待，让生产者先去生产
    				try {
    					lock.wait();
    				} catch (InterruptedException e) {
    					e.printStackTrace();
    				}
    			}
    			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--消费者--已消费：" + resource);
    			resource = null;
    			// 消费完成，现在没有资源了，唤醒生产者去生产
    			lock.notifyAll();
    		}
    	}

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3draF9fXw_size_16_color_FFFFFF_t_70 5][]

至此和谐得不得了！但是如果这么好用，也不会出现后来JDK5中的Lock接口了。

**上述代码的弊端**

唤醒notifyAll函数，必然会唤醒跟自己一样的线程，唤醒没问题，没bug，但是效率低啊！

如生产者把生产者也给唤醒了，消费者把消费者也给唤醒了。

如果最终能实现生产者只唤醒消费者，而消费者只唤醒生产者，那岂不是万物和谐了？

### JDK5中的Lock接口跟Condition接口实现多生产多消费方式 ###

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3draF9fXw_size_16_color_FFFFFF_t_70 6][]

**Lock**

在synchronized上的锁是开发人员自己定义的任意锁对象，而在jdk5中专门提供Lock接口来表示同步中的锁对象。

它代替了同步和同步中的锁，将synchronized代码块获取跟释放锁的操作指定到具体的方法中。

如：使用Lock接口获取锁就要手动调用lock()函数获取锁，释放锁则调用unlock()函数释放。

**Condition**

代替原有的wait、notify、notifyAll等待唤醒机制。

通常获取condition对象采用lock.newCondition;获得。

每new一个condition可以绑定一个等待唤醒线程。如题就是两个condition。一个生产者一个消费者。

**lock跟condition关系图**

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3draF9fXw_size_16_color_FFFFFF_t_70 7][]

以此来达到生产者唤醒消费者，消费者唤醒生产者。（调用对方的唤醒函数）

class Resource

package com.thread.four;
    
    import java.util.concurrent.locks.Condition;
    import java.util.concurrent.locks.Lock;
    import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
    
    /**
     * 采用JDK1.5的Lock接口实现方式
     */
    public class JdkLockResource {
    
        // 定义资源
        private String resource ;
    
        // 定义锁
        private static final Lock lock = new ReentrantLock();
    
        // 定义生产者线程
        private static final Condition producer = lock.newCondition();
    
        // 定义消费者线程
        private static final Condition consumer = lock.newCondition();
    
        int count = 0;
    
        /**
         * 生产者调用的生产资源的方法
         * @param resourceName	资源名
         */
        public void setResource(String resourceName){
            // 获取锁
            lock.lock();
            try {
                while (resource != null){
                    // 生产者等待消费者消费
                    try {
                        producer.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                resource = resourceName + count++;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--生产者--已生产：" + resource);
                // 唤醒消费者消费
                consumer.signal();
            } finally {
                // 释放锁
                lock.unlock();
            }
        }
    
        /**
         * 消费者调用的消费资源的方法
         */
        public void getResource(){
            // 获取锁
            lock.lock();
            try {
                while (resource != null){
                    // 消费者等待生产者生产
                    try {
                        consumer.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "--消费者--已消费：" + resource);
                // 模拟消费，此时应将资源置空
                resource = null;
                // 消费完成。唤醒生产者线程进行生产资源	唤醒一条生产者线程
                producer.signal();
            } finally {
                // 释放锁
                lock.unlock();
            }
        }
    
    }

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3draF9fXw_size_16_color_FFFFFF_t_70 8][]

**简要说明**

释放锁因为要手动调用unlock函数，如抛异常，则锁无法释放，所以必须要在finally处添加释放锁逻辑。

Condition对象是从lock锁对象中获取监视具体的线程的，所以可以用他来管理生产者跟消费者的等待唤醒。

### 那业务开发中是应该都用jdk5的Lock接口吗？ ###

不一定！

个人建议：如果不需要等待唤醒机制，只是操作同一个数据，则用synchronized更为简洁方便。

但如果涉及到多个线程操作同一组数据，如买票跟添加票的业务场景，或者商品上架数量跟抢购的业务场景，则用jdk5的Lock接口实现等待唤醒机制效率更高

[java_-]: https://blog.csdn.net/wkh___/article/details/84818655
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3draF9fXw_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220411/5c4d08759f4949e3901705f7713f324f.png
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