0038 Java学习笔记-多线程-传统线程间通信、Condition、阻塞队列、《疯狂Java讲义 第三版》进程间通信示例代码存在的一个问题...

转载 于 2016-12-06 17:46:00 发布 · 86 阅读 · 0 ·
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#java #数据结构与算法

本文深入探讨了线程通信的方法，包括使用wait()、notify()、notifyAll()等方法实现线程间的同步，以及如何利用Condition对象进行更高级的通信控制。同时介绍了如何利用阻塞队列来协调多线程之间的数据交换。

调用同步锁的wait()、notify()、notifyAll()进行线程通信

  • 看这个经典的存取款问题，要求两个线程存款，两个线程取款，账户里有余额的时候只能取款，没余额的时候只能存款，存取款金额相同。相当于存取款交替进行，金额相同。
  • 线程间通信，需要通过同一个同步监视器(也就是this或者显式的Object对象)调用通信方法，
  • Object有三个方法，可以用于线程间通信
    • wait()
      • 当前线程等待，并释放同步锁
      • wait():无限期等待
      • wait(long timeout):等待timeout毫秒，
      • wait(long timeout,int nanos):等待timeout毫秒+nanos纳秒，nanos的范围[0,999999]
    • notify()
      • 唤醒该同步监视器上的任意一个线程
      • 只有当前线程调用了wait()方法后，被notify()唤醒的线程才会唤醒
    • notifyAll()
      • 唤醒该同步监视器上的所有线程
      • 只有当前线程调用了wait()方法后，被notify()唤醒的线程才会唤醒
  • 看示例代码：
package testpack;
public class Test1  { 
    public static void main(String[] args){ 
        Account ac=new Account("A123",0.0);
        new Deposit("存款者A",ac,325.0).start();       //这里开启两个存款线程
        new Withdraw("取款者甲",ac,325.0).start();     //开启两个取款线程
        new Deposit("存款者B",ac,325.0).start();
        new Withdraw("取款者乙",ac,325.0).start();
    }
}
class Withdraw extends Thread{                          //取款任务
    private Account account;
    private double withdrawAmount;
    public Withdraw (String threadName,Account account,double withdrawAmount){
        super(threadName);
        this.account=account;
        this.withdrawAmount=withdrawAmount;
    }
    public void run(){
        for (int i=1;i<=2;i++){                         //每个线程循环取款2次
            account.withdraw(withdrawAmount);
        }
    }
}
class Deposit extends Thread{                           //存款任务
    private Account account;
    private double depositAmount;
    public Deposit (String threadName,Account account,double depositAmount){
        super(threadName);
        this.account=account;
        this.depositAmount=depositAmount;
    }
    public  void run(){
        for (int i=1;i<=2;i++){                         //每个线程循环存款2次
            account.deposit(depositAmount);
        }
    }
}
class Account {
    private String accountNO;
    private double balance;                              //账户余额
    private boolean flag=false;                          //用于判断该账户是否可以进行存款或取款
    public Account(){}
    public Account(String no,double balance){
        accountNO=no;
        this.balance=balance;
    }
    public double getBalance(){
        return balance;
    }
    public synchronized void withdraw(double amount){    //同步方法，取款
        try {
            while (!flag){                 //标记㈠。特别注意，这里用while进行循环判断，而不是用if-else判断
                this.wait();                             //flag为false，则不可取款，线程等待，并释放同步锁
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"取款："+amount);
            balance-=amount;
            System.out.println("取款后，余额为： "+balance);
            flag=false;                                   //取款完毕后，将flag切换为false，下一个线程如果是取款线程，则不能取款
            System.out.println("---------------上面取款完毕-------------------");
            this.notifyAll();                             //标记㈢。取款完毕，唤醒其他所有线程
        }catch(InterruptedException ex){
            ex.printStackTrace();
        }
    }
    public synchronized void deposit(double amount){     //同步方法，存款
        try{
            while (flag){                 //标记㈡。特别注意，这里用while进行循环判断，而不是用if-else判断
                this.wait();                             //如果flag为true，则不能存款，线程等待并释放同步锁
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"存款"+amount);
            balance+=amount;
            System.out.println("存款后，账户余额为： "+balance);
            flag=true;                                    //存款完毕后，将flag切换为true，下一个线程如果是存款线程，则不能存款
            System.out.println("---------------上面存款完毕-------------------");
            this.notifyAll();                             //标记㈣存款完毕后，唤醒其他所有线程
            
        }catch(InterruptedException ex){
            ex.printStackTrace();
        }
    }
}

输出：

存款者A存款325.0
存款后，账户余额为： 325.0
---------------上面存款完毕-------------------
取款者乙取款：325.0
取款后，余额为： 0.0
---------------上面取款完毕-------------------
存款者B存款325.0
存款后，账户余额为： 325.0
---------------上面存款完毕-------------------
取款者甲取款：325.0
取款后，余额为： 0.0
---------------上面取款完毕-------------------
存款者B存款325.0
存款后，账户余额为： 325.0
---------------上面存款完毕-------------------
取款者乙取款：325.0
取款后，余额为： 0.0
---------------上面取款完毕-------------------
存款者A存款325.0
存款后，账户余额为： 325.0
---------------上面存款完毕-------------------
取款者甲取款：325.0
取款后，余额为： 0.0
---------------上面取款完毕-------------------

  • 看上面的输出：存款者A和B，取款者甲和乙分别各进行了2次存款或取款操作，并且交替执行
  • 看上面的标记㈢和㈣
    • 这里只能使用notifyAll()，而不能使用notify()方法，因为可能导致程序阻塞，比如：
    • 存款A线程第一次存款完毕，唤醒一个线程(当然第一次没有线程可供唤醒)并再次执行，wait()。状态：A阻塞+B甲乙就绪
    • 存款B线程试图存款，失败，wait()。状态：AB+甲乙
    • 取款甲线程第一次取款完毕，唤醒存款A线程，并再次执行，wait()。状态：B甲+A乙
    • 取款乙线程试图取款，失败，wait()。状态：B甲乙+A
    • 存款A线程第二次存款完毕，唤醒存款B线程，并再次执行，wait()。状态：甲乙A+B
    • 存款B线程试图存款，失败，wait()。状态：AB甲乙均处于wait()状态
    • 此时，四个线程都处于阻塞状态
  • 再看上面的标记㈠和㈡
    • 上面这段代码主要来源于《疯狂Java讲义 第三版》的“codes\16\16.6\synchronized”目录
    • 原代码用的if-else对flag进行判断，这里存在问题，直接导致不论存款(或取款)成功或失败(即wait)，run()方法的循环计数器都会自增1，导致存款(或取款)次数比预计的少，进而导致存款(取款线程已执行完，而存款线程仍在执行)或取款(存款线程已执行完，而取款线程仍在执行)线程阻塞
    • 应当采用while进行循环判断，线程被唤醒之后，应再次进行判断，而不是直接将循环计数器自增，可以保证在每个循环中都成功进行了一次存款

调用Condition对象的的await()、signal()、signalAll()方法实现线程间通信

  • 上面Object的wait()、notify()、notifyAll()方法只能适用于this、显式的Object对象
  • 对于用Lock进行加锁的同步方法，上面的三个方法则不适用，这时候得靠Condition对象的另外三个方法
  • 通过Lock锁的newCondition()方法返回一个Condition对象，然后调用该对象的下面三个方法进行通信
    • await()
      • 类似于wait()方法
      • await(long timeout,int nanos)
      • awaitnanos(long nanosTimeout)
      • awaitUninterruptibly()
      • awaitUntil(Date deadline)
    • signal()
      • 类似于notify()
    • signalAll()
      • 类似于notifyAll()
  • Lock锁的newCondition()方法返回的是ConditionObject对象，这是AbstractQueuedSynchronizer抽象类的一个内部类，该内部类实现了Condition接口
  • 下面用Lock及这三个新方法改写上面的Account类
class Account {
    private String accountNO;
    private double balance;
    private boolean flag=false;
    private final ReentrantLock lock=new ReentrantLock();   //创建一把Lock锁
    private final Condition cond=lock.newCondition();       //返回Condition对象
    public Account(){}
    public Account(String no,double balance){
        accountNO=no;
        this.balance=balance;
    }
    public double getBalance(){
        return balance;
    }
    public void withdraw(double amount){
        lock.lock();                                         //获取锁并加锁
        try {
            while (!flag){
                cond.await();                                //调用Condition对象的await()方法
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"取款："+amount);
            balance-=amount;
            System.out.println("取款后，余额为： "+balance);
            flag=false;
            System.out.println("---------------上面取款完毕-------------------");
            cond.signalAll();
        }catch(InterruptedException ex){
            ex.printStackTrace();
        }finally{
            lock.unlock();                                    //释放锁
        }
    }
    public void deposit(double amount){
        lock.lock();
        try{
            while (flag){
                cond.await();
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"存款"+amount);
            balance+=amount;
            System.out.println("存款后，账户余额为： "+balance);
            flag=true;
            System.out.println("---------------上面存款完毕-------------------");
            cond.signalAll();
            
        }catch(InterruptedException ex){
            ex.printStackTrace();
        }finally{
            lock.unlock();
        }
    }
}

如果调用了Lock对象的wait()、notify()、notifyAll()方法会怎样？

  • Lock对象也是Object的子类的实例，也拥有这三个方法，按理说调用Lock对象这个同步监视器的该三个方法，也应该能达到通信的目的
  • 改写后，程序输出如下：

存款者A存款325.0Exception in thread "存款者A" Exception in thread "取款者甲" //
存款后，账户余额为： 325.0
---------------上面存款完毕-------------------
取款者甲取款：325.0
取款后，余额为： 0.0
---------------上面取款完毕-------------------
存款者B存款325.0
存款后，账户余额为： 325.0
---------------上面存款完毕-------------------
Exception in thread "存款者B" 取款者乙取款：325.0
取款后，余额为： 0.0
java.lang.IllegalMonitorStateException
---------------上面取款完毕-------------------
at java.lang.Object.notifyAll(Native Method)
at testpack.Account.deposit(Test1.java:86)
at testpack.Deposit.run(Test1.java:39)
Exception in thread "取款者乙" java.lang.IllegalMonitorStateException
at java.lang.Object.notifyAll(Native Method)
at testpack.Account.withdraw(Test1.java:68)
at testpack.Withdraw.run(Test1.java:25)
java.lang.IllegalMonitorStateException
at java.lang.Object.notifyAll(Native Method)
at testpack.Account.withdraw(Test1.java:68)
at testpack.Withdraw.run(Test1.java:25)
java.lang.IllegalMonitorStateException
at java.lang.Object.notifyAll(Native Method)
at testpack.Account.deposit(Test1.java:86)
at testpack.Deposit.run(Test1.java:39)

  • 上面出现了大量的“IllegalMonitorStateException”异常，暂时还分析不了出错的原因

通过阻塞队列实现线程间通信

  • 上面的Account的取款、存款问题，抽象一下：一个Account，两个任务(一个存款、一个取款)，每个任务两条线程(但两条线程完成的并不是同一项任务)

  • BlockingQueue是一个阻塞队列接口，它有很多实现类，见下图：来源于《Java疯狂讲义 第三版》
    BlockingQueue及实现类图

  • 实现类：
    • ArrayBlockingQueue：基于数组实现
    • LinkedBlockingQueue：基于链表实现
    • PriorityBlockingQueue：内部元素按照排序器排序，并非先进先出
    • SynchronousQueue：同步队列，存取交替进行
    • DelayQueue：内部元素实现Delay接口，内部元素按照getDelay()的返回值排序
  • 该接口是Queue的子接口，但并不是作为容器使用，而是作为线程同步工具使用。
  • 当一个线程要往里面put()一个元素时，若队列已满，则线程阻塞
  • 当一个线程从里面take()一个元素时，若队列为空，则线程阻塞
  • 三类方法
    • 在队列尾部插入元素：若队列已满，分别会：
      • add(E e)：抛出异常
      • offer(E e)：返回false
      • put(E e)：阻塞队列
    • 在队列头部取出元素，并删除元素：若队列为空，分别会：
      • remove()：抛出异常
      • poll()：返回false
      • take()：阻塞队列
    • 在队列头部取出元素，但不删除元素：若队列为空，分别会：
      • element()：抛出异常
      • peek()：返回false

  • 见示例：

package testpack;

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;

public class Test2  { 
    public static void main(String[] args){ 
        BlockingQueue<String> bq=new ArrayBlockingQueue<>(1);
        new Producer(bq,"生产者A").start();
        new Producer(bq,"生产者B").start();
        new Consumer(bq,"消费者X").start();   //两个生产者，一个消费者，会产生阻塞
    }
}
class Producer extends Thread{
    private BlockingQueue<String> bq;
    Producer(BlockingQueue bq,String name){
        super(name);
        this.bq=bq;
    }
    public void run(){                         //run()方法没有被同步，for循环中的代码可能被分开执行
        String[] str={"A","B","C"};
        for (int i=0;i<3;i++){
            System.out.println(getName()+" 准备向阻塞队列中添加元素");
            try{
                bq.put(str[i%3]);
            }catch(InterruptedException ex){
                ex.printStackTrace();
            }
            System.out.println(getName()+"添加元素完成： "+bq);
        }
    }
}
class Consumer extends Thread{
    private BlockingQueue<String> bq;
    Consumer(BlockingQueue bq,String name){
        super(name);
        this.bq=bq;
    }
    public void run(){
        for (int i=0;i<3;i++){
            System.out.println(getName()+" 准备从阻塞队列中取出元素");
            try{
                System.out.println(getName()+"取出元素成功： "+bq.take());
            }catch(InterruptedException ex){
                ex.printStackTrace();
            }
        }
    } 
}
  • 输出结果如下：

生产者A 准备向阻塞队列中添加元素 //线程A被中断，可能在添加成功前或后
生产者B 准备向阻塞队列中添加元素 //线程B可能被中断，可能被阻塞
生产者A添加元素完成： [M] //线程A添加成功
生产者A 准备向阻塞队列中添加元素 //线程A阻塞
消费者X 准备从阻塞队列中取出元素
消费者X取出元素成功： M //线程X取出成功
消费者X 准备从阻塞队列中取出元素 //线程X被阻塞
生产者B添加元素完成： [M] //线程B添加成功
生产者A添加元素完成： [N] //这里之所以连续添加2次，因为X已将元素取出，但没有输出
消费者X取出元素成功： M //X将取出的元素输出
生产者A 准备向阻塞队列中添加元素 //线程A被阻塞或中断
生产者B 准备向阻塞队列中添加元素 //线程B被阻塞或中断
消费者X 准备从阻塞队列中取出元素
消费者X取出元素成功： N //X将取出的元素输出
生产者A添加元素完成： [K] //三次消费已执行结束，生产者线程还在执行，程序阻塞

  • ArrayBlockingQueue内部定义了一把private的ReentrantLock锁，在创建对象时创建锁对象(false策略)
  • 在put()/take()阻塞的时候，会释放ReentrantLock锁对象
  • 该示例存在的问题：生产和消费的run()方法没有被同步，导致输出的信息错乱；如果在run()中设置同步代码块，用bq做锁，则在生产方阻塞的时候导致死锁，暂时还不会解决。

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