Java多线程高并发学习笔记(二)——深入理解ReentrantLock与Condition

短命女 2022-05-27 06:45 153阅读 0赞

## 锁的概念 ##

从jdk发行1.5版本之后，在原来synchronize的基础上，增加了重入锁ReentrantLock。

本文就不介绍synchronize了，有兴趣的同学可以去了解一下，本文重点介绍ReentrantLock。

### 锁是什么？ ###

并发编程的时候，比如说有一个业务是读写操作，那多个线程执行这个业务就会造成已经写入的数据又写一遍，就会造成数据错乱。

所以需要引入锁，进行数据同步，强制使得该业务执行的时候只有一个线程在执行，从而保证不会插入多条重复数据。

一些共享资源也是需要加锁，从而保证数据的一致性。

![1620][]

关于锁的概念，也就不过多篇幅介绍，有很多概念性的东西，需要自己取找本书狠狠啃一啃，本文主要是给大家介绍如何使用锁。

## 使用ReentrantLock同步 ##

首先来看第一个实例：用两个线程来在控制台有序打出1,2,3。

public class FirstReentrantLock { 
    
        public static void main(String[] args) { 
            Runnable runnable = new ReentrantLockThread();
            new Thread(runnable, "a").start();
            new Thread(runnable, "b").start();
        }
    
    }
    
    class ReentrantLockThread implements Runnable { 
    
        @Override
        public void run() { 
            for (int i = 0; i < 3; i++) { 
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "输出了： " + i);
            }
        }
    
    }

执行FirstReentrantLock ，查看控制台输出：

![1620 1][]

![1620 2][]

可以看到，并没有顺序，杂乱无章。

那使用ReentrantLock加入锁，代码如下：

package com.chapter2;
    
    import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
    
    /** * @author tangj * * 如何使用ReentrantLock */
    public class FirstReentrantLock { 
    
        public static void main(String[] args) { 
            Runnable runnable = new ReentrantLockThread();
            new Thread(runnable, "a").start();
            new Thread(runnable, "b").start();
        }
    
    }
    
    class ReentrantLockThread implements Runnable { 
        // 创建一个ReentrantLock对象
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    
        @Override
        public void run() { 
            try { 
                // 使用lock()方法加锁
                lock.lock();
                for (int i = 0; i < 3; i++) { 
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "输出了： " + i);
                }
            } finally { 
                // 别忘了执行unlock()方法释放锁
                lock.unlock();
            }
    
        }
    
    }

执行FirstReentrantLock ，查看控制台输出：

![1620 3][]

有顺序的打印出了0,1,2,0,1,2.

这就是锁的作用，它是互斥的，当一个线程持有锁的时候，其他线程只能等待，待该线程执行结束，再通过竞争得到锁。

## 使用Condition实现线程等待和唤醒 ##

通常在开发并发程序的时候，会碰到需要停止正在执行业务A，来执行另一个业务B，当业务B执行完成后业务A继续执行。ReentrantLock通过Condtion等待/唤醒这样的机制.

相比较synchronize的wait()和notify()/notifAll()的机制而言，Condition具有更高的灵活性，这个很关键。Conditon可以实现多路通知和选择性通知。

当使用notify()/notifAll()时，JVM时随机通知线程的，具有很大的不可控性，所以建议使用Condition。

Condition使用起来也非常方便，只需要注册到ReentrantLock下面即可。

参考下图：

![1620 4][]

接下来，使用Condition来实现等待/唤醒，并且能够唤醒制定线程

先写业务代码：

package com.chapter2.howtocondition;
    
    import java.util.concurrent.locks.Condition;
    import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
    
    public class MyService { 
    
        // 实例化一个ReentrantLock对象
        private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        // 为线程A注册一个Condition
        public Condition conditionA = lock.newCondition();
        // 为线程B注册一个Condition
        public Condition conditionB = lock.newCondition();
    
        public void awaitA() { 
            try { 
                lock.lock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入了awaitA方法");
                long timeBefore = System.currentTimeMillis();
                // 执行conditionA等待
                conditionA.await();
                long timeAfter = System.currentTimeMillis();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"被唤醒");
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "等待了: " + (timeAfter - timeBefore)/1000+"s");
            } catch (InterruptedException e) { 
                e.printStackTrace();
            } finally { 
                lock.unlock();
            }
        }
    
        public void awaitB() { 
            try { 
                lock.lock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "进入了awaitB方法");
                long timeBefore = System.currentTimeMillis();
                // 执行conditionB等待
                conditionB.await();
                long timeAfter = System.currentTimeMillis();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"被唤醒");
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "等待了: " + (timeAfter - timeBefore)/1000+"s");
            } catch (InterruptedException e) { 
                e.printStackTrace();
            } finally { 
                lock.unlock();
            }
        }
    
        public void signallA() { 
            try { 
                lock.lock();
                System.out.println("启动唤醒程序");
                // 唤醒所有注册conditionA的线程
                conditionA.signalAll();
            } finally { 
                lock.unlock();
            }
        }
        
        public void signallB() { 
            try { 
                lock.lock();
                System.out.println("启动唤醒程序");
                // 唤醒所有注册conditionA的线程
                conditionB.signalAll();
            } finally { 
                lock.unlock();
            }
        }
    }

分别实例化了两个Condition对象，都是使用同一个lock注册。注意conditionA对象的等待和唤醒只对使用了conditionA的线程有用，同理conditionB对象的等待和唤醒只对使用了conditionB的线程有用。

继续写两个线程的代码：

package com.chapter2.howtocondition;
    
    public class MyServiceThread1 implements Runnable { 
    
        private MyService service;
    
        public MyServiceThread1(MyService service) { 
            this.service = service;
        }
    
        @Override
        public void run() { 
            service.awaitA();
        }
    
    }

注意：MyServiceThread1 使用了awaitA()方法，持有的是conditionA！

package com.chapter2.howtocondition;
    
    public class MyServiceThread2 implements Runnable { 
    
        private MyService service;
    
        public MyServiceThread2(MyService service) { 
            this.service = service;
        }
    
        @Override
        public void run() { 
            service.awaitB();
        }
    
    }

注意：MyServiceThread2 使用了awaitB()方法，持有的是conditionB！

最后看启动类：

package com.chapter2.howtocondition;
    
    public class ApplicationCondition { 
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
            MyService service = new MyService();
            Runnable runnable1 = new MyServiceThread1(service);
            Runnable runnable2 = new MyServiceThread2(service);
            
            new Thread(runnable1, "a").start();
            new Thread(runnable2, "b").start();
            
            // 线程sleep2秒钟
            Thread.sleep(2000);
            // 唤醒所有持有conditionA的线程
            service.signallA();
            
            Thread.sleep(2000);
            // 唤醒所有持有conditionB的线程
            service.signallB();
        }
    
    }

执行ApplicationCondition ,来看控制台输出结果：

![1620 5][]

a和b都进入各自的await()方法。首先执行的是

![1620 6][]

使用conditionA的线程被唤醒，而后再唤醒使用conditionB的线程。

学会使用Condition,那来用它实现生产者消费者模式

## 生产者和消费者 ##

首先来看业务类的实现：

package com.chapter2.consumeone;
    
    import java.util.concurrent.locks.Condition;
    import java.util.concurrent.locks.Lock;
    import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
    
    public class Service { 
    
        private Lock lock = new ReentrantLock();
        private boolean flag = false;
        private Condition condition = lock.newCondition();
        // 以此为衡量标志
        private int number = 1;
    
        /** * 生产者生产 */
        public void produce() { 
            try { 
                lock.lock();
                while (flag == true) { 
                    condition.await();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-----生产-----");
                number++;
                System.out.println("number: " + number);
                System.out.println();
                flag = true;
                // 提醒消费者消费
                condition.signalAll();
            } catch (InterruptedException e) { 
                e.printStackTrace();
            } finally { 
                lock.unlock();
            }
        }
    
        /** * 消费者消费生产的物品 */
        public void consume() { 
            try { 
                lock.lock();
                while (flag == false) { 
                    condition.await();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-----消费-----");
                number--;
                System.out.println("number: " + number);
                System.out.println();
                flag = false;
                // 提醒生产者生产
                condition.signalAll();
            } catch (InterruptedException e) { 
                e.printStackTrace();
            } finally { 
                lock.unlock();
            }
        }
    }

生产者线程代码：

package com.chapter2.consumeone;
    
    /** * 生产者线程 * * @author tangj * */
    public class MyThreadProduce implements Runnable { 
    
        private Service service;
    
        public MyThreadProduce(Service service) { 
            this.service = service;
        }
    
        @Override
        public void run() { 
            for (;;) { 
                service.produce();
            }
        }
    
    }

消费者线程代码：

package com.chapter2.consumeone;
    
    /** * 消费者线程 * * @author tangj * */
    public class MyThreadConsume implements Runnable { 
    
        private Service service;
    
        public MyThreadConsume(Service service) { 
            super();
            this.service = service;
        }
    
        @Override
        public void run() { 
            for (;;) { 
                service.consume();
            }
        }
    
    }

启动类：

package com.chapter2.consumeone;
    
    public class Application { 
    
        public static void main(String[] args) { 
            Service service = new Service();
            Runnable produce = new MyThreadProduce(service);
            Runnable consume = new MyThreadConsume(service);
            new Thread(produce, "生产者 ").start();
            new Thread(consume, "消费者 ").start();
        }
    
    }

执行Application,看控制台的输出：

![1620 7][]

因为采用了无限循环，生产者线程和消费者线程会一直处于工作状态，可以看到，生产者线程执行完毕后，消费者线程就会执行，以这样的交替顺序，

而且的number也遵循者生产者生产+1，消费者消费-1的一个状态。这个就是使用ReentrantLock和Condition来实现的生产者消费者模式。

## 顺序执行线程 ##

充分发掘Condition的灵活性，可以用它来实现顺序执行线程。

来看业务类代码：

package com.chapter2.sequencethread;
    
    import java.util.concurrent.locks.Condition;
    import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
    
    public class Service { 
    
        // 通过nextThread控制下一个执行的线程
        private static int nextThread = 1;
        private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        // 有三个线程，所有注册三个Condition
        Condition conditionA = lock.newCondition();
        Condition conditionB = lock.newCondition();
        Condition conditionC = lock.newCondition();
    
        public void excuteA() { 
            try { 
                lock.lock();
                while (nextThread != 1) { 
                    conditionA.await();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 工作");
                nextThread = 2;
                conditionB.signalAll();
            } catch (InterruptedException e) { 
                e.printStackTrace();
            } finally { 
                lock.unlock();
            }
        }
    
        public void excuteB() { 
            try { 
                lock.lock();
                while (nextThread != 2) { 
                    conditionB.await();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 工作");
                nextThread = 3;
                conditionC.signalAll();
            } catch (InterruptedException e) { 
                e.printStackTrace();
            } finally { 
                lock.unlock();
            }
        }
    
        public void excuteC() { 
            try { 
                lock.lock();
                while (nextThread != 3) { 
                    conditionC.await();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 工作");
                nextThread = 1;
                conditionA.signalAll();
            } catch (InterruptedException e) { 
                e.printStackTrace();
            } finally { 
                lock.unlock();
            }
        }
    }

这里可以看到，注册了三个Condition，分别用于三个线程的等待和通知。

启动类代码：

package com.chapter2.sequencethread;
    
    /** * 线程按顺序执行 * * @author tangj * */
    public class Application { 
    
        private static Runnable getThreadA(final Service service) { 
            return new Runnable() { 
                @Override
                public void run() { 
                    for (;;) { 
                        service.excuteA();
                    }
                }
            };
        }
    
        private static Runnable getThreadB(final Service service) { 
            return new Runnable() { 
                @Override
                public void run() { 
                    for (;;) { 
                        service.excuteB();
                    }
                }
            };
        }
    
        private static Runnable getThreadC(final Service service) { 
            return new Runnable() { 
                @Override
                public void run() { 
                    for (;;) { 
                        service.excuteC();
                    }
                }
            };
        }
    
        public static void main(String[] args) { 
            Service service = new Service();
            Runnable A = getThreadA(service);
            Runnable B = getThreadB(service);
            Runnable C = getThreadC(service);
    
            new Thread(B, "B").start();
            new Thread(A, "A").start();
            new Thread(C, "C").start();
        }
    
    }

运行启动类，查看控制台输出结果：

![1620 8][]

A,B,C三个线程一直按照顺序执行。

##  总结 ##

学会使用锁是学好多线程的基础，ReentrantLock相比较关键字synchronize而言，更加而且可控，所以还是推荐大家使用ReentrantLock。

[1620]: /images/20220527/0f30f7c45c4843c3bc2dbd3fab7fbfb9.png
[1620 1]: /images/20220527/6bf4962b9cec4ff3bef0076ef0495716.png
[1620 2]: /images/20220527/16a2e02455f34d2da359e6f716a20483.png
[1620 3]: /images/20220527/f996928050ca48ed834f1e6c0d334aab.png
[1620 4]: /images/20220527/2ff07fd71166441382017c379ae64b0a.png
[1620 5]: /images/20220527/9e555f7d73cf4ee7ae899ffc4bd7b61f.png
[1620 6]: /images/20220527/9e221ff18e134db38a76c813d554b6cd.png
[1620 7]: /images/20220527/7d8a33ba671649738b55308c18696fb9.png
[1620 8]: /images/20220527/142edf2ef70b4d43b7c70f7ec74b0560.png