【java併發編程】Lock & Condition 協調同步生產消費

一、協調生產/消費的需求本文內容主要想向大家介紹一下Lock結合Condition的使用方法，為了更好的理解Lock鎖與Condition鎖信號，我們來手寫一個ArrayBlockingQueue。 JDK實際上已經有這個類，基於Lock鎖與Condition鎖信號實現的，當然JDK實現代碼很複雜 ...

一、協調生產/消費的需求

本文內容主要想向大家介紹一下Lock結合Condition的使用方法，為了更好的理解Lock鎖與Condition鎖信號，我們來手寫一個ArrayBlockingQueue。 JDK實際上已經有這個類，基於Lock鎖與Condition鎖信號實現的，當然JDK實現代碼很複雜包含了更嚴謹的邏輯校驗，以及從性能優化的角度做了更多的工作。本文中我們只是來簡單實現一下其核心邏輯：

ArrayBlockingQueue初始化構造時指定容量上限最大值
提供put方法，當達到Queue隊列容量上限最大值，阻塞生產數據的線程。
put方法生產數據之後，隊列肯定是不為空，通知消費者線程進行消費。
提供take方法，當Queue隊列容量為0時候，阻塞消費數據的線程。
take方法執行之後，隊列肯定不是滿的，通知生產者線程進行生產。
一條數據只能被take一次，take之後數據從queue中刪除

相信實現完成上面的邏輯之後，java併發編程之Lock鎖與Condition鎖信號，你肯定是掌握了！其實這個邏輯基本上就是kafka生產者客戶端緩衝隊列，批量進行數據發送的實現邏輯。區別是take方法一次取出緩衝區所有數據，本文take方法一次取出一條數據。

二、構造方法

構造隊列的方法很簡單，使用一個List作為數據存儲隊列，並指定其容量。到此我們還沒有實現容量判斷，以及阻塞線程的功能。

//類成員變數-存儲數據的隊列
private List<Object> queue;
//類成員變數-存儲隊列的容量上限
private int queueSize;

public MyBlockingQueue(int queueSize) {
  this.queueSize = queueSize;
  queue = new ArrayList<>(queueSize);//存儲消息的集合
}

三、Lock& Condition邏輯設計

首先我們要有一把鎖，保證數據put與take操作的同步性，即：一條數據只能被take一次，take之後數據從queue中刪除；以及創建Condition邏輯都需要Lock鎖。學過java基礎併發編程的同學，可以把Lock鎖理解為Synchronized 同步代碼塊功能是一樣的。我寫過一個專欄《java併發編程》中介紹了二者的區別，歡迎關註。

private Lock lock = new ReentrantLock();//鎖

Condition邏輯大家可以理解為傳統JDK多線程編程中的wait與notify，但是Condition的語義更容易被理解。如下文代碼所示：

private Condition notFull = lock.newCondition();   //隊列不為滿

notFull.signal();   //通知生產者隊列不為滿，可以繼續生產數據(通常在消費者拿走數據之後，調用)
notFull.await();    //隊列已滿，阻塞生產線程（await對condition邏輯取反）

private Condition notEmpty = lock.newCondition();  //隊列不為空

notEmpty.signal();  //通知消費者線程隊列不為空，可以繼續消費數據(通常在生產者生產數據之後，調用)
notEmpty.await();  //隊列已經空了，阻塞消費線程（await對condition邏輯取反）

大家在使用Lock& Condition進行線程同步協調的時候，一定像我一樣先把condition的邏輯語義設計好

將當xxxx時候的表達，設計為condition。
當情況滿足condition的時候發出信號signal()通知其他線程；
當情況與condtion正好相反的的時候，使用await阻塞當前線程。

四、put放入數據

其實最重要的就是完成Lock& Condition邏輯設計，剩下的就是填空了，模板如下

通過while迴圈判斷隊列當前容量是否達到容量上限，如果達到上限就表示隊列滿了。隊列滿了（notFull取反使用await），await阻塞生產線程向隊列中繼續放入數據。在這裡，有小伙伴曾經問過我一個奇葩的問題：多線程持有同一個lock鎖，你怎麼知道阻塞的是生產線程，而不是消費線程呢？ 答：一個線程是生產線程還是消費線程，取決於它的動作（調用什麼方法），並沒有一個標簽給它定義死，調用put方法放入數據的就是生產數據的線程。while/await組合是標準寫法，請不要隨意創新改成if，否則你會遇到很多詭異的bug。

//隊列滿了，await阻塞生產線程
while (queue.size() >= queueSize) {
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "等待,因為隊列滿了" );
  notFull.await();
}

向隊列中添加一條數據，此時我們可以確定隊列是notEmpty，所以使用notEmpty.signal()向生產者發送信號。這裡問題又來了：多線程持有同一個lock鎖，你怎麼知道通知的是消費者線程，而不是生產者線程呢？ 答案是我確實不知道，所以在上文中的while (queue.size() >= queueSize)採用的是while，而不是if。即使生產者線程被喚醒了，while判斷也會把它await攔住。

//向隊列添加一條消息，同時通知消費者有新消息了
queue.add(message);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "生產" + message );
notEmpty.signal();//通知消費者線程

五、take消費數據

take從隊列中取出數據，取出數據之後，隊列肯定是notFull ，所以發出notFull.signal信號。當隊列空了（notEmpty使用await取反)，await同時阻塞消費者線程。

public Object take() throws InterruptedException {
  Object retVal = null;
  lock.lock();//操作隊列先加鎖
  try {
    //隊列空了，通知生產線程，消費線程阻塞
    while (queue.size() == 0) {
      System.out.println("隊列已經空了，停止消費！");
      notEmpty.await();
    }
    //隊列刪除一條消息，同時通知生產者隊列有位置了
    retVal = queue.get(0);
    queue.remove(0);
    notFull.signal();   //同時通知生產者隊列
  } finally {
    lock.unlock();
  }
  return retVal;
}

我相信有了上面put方法的基礎，理解take方法中的代碼，就非常容易了，這裡我就不做過多的說明瞭。

六、生產消費測試

public static void main(String[] args) {
  //為了方便查看測試結果，我們的隊列容量設置小一些
  MyBlockingQueue queue  = new MyBlockingQueue(2);

  //生產者線程
  new Thread(()->{
    for(int i = 0;i < 5;i++){
      try {
        queue.put("msg" + i);  //放入5條數據
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
  }).start();

  //消費者線程
  new Thread(()->{
    while(true){  //一直消費
      try {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                + "消費數據" + queue.take());
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
  }).start();
}

輸出結果如下，滿足我們的需求。隊列滿了，生產者線程Thread-0等待；生產消費互相協調通知，最終數據消費完成，隊列空了，消費者線程阻塞。

Thread-0生產msg0
Thread-0生產msg1
Thread-0等待,因為隊列滿了
Thread-1消費數據msg0
Thread-0生產msg2
Thread-0等待,因為隊列滿了
Thread-1消費數據msg1
Thread-0生產msg3
Thread-0等待,因為隊列滿了
Thread-1消費數據msg2
Thread-0生產msg4
Thread-1消費數據msg3
Thread-1消費數據msg4
隊列已經空了，停止消費！

歡迎關註我的博客，更多精品知識合集

本文轉載註明出處（必須帶連接，不能只轉文字）：字母哥博客 - zimug.com

覺得對您有幫助的話，幫我點贊、分享！您的支持是我不竭的創作動力！。另外，筆者最近一段時間輸出瞭如下的精品內容，期待您的關註。