Java介绍Lock锁与生产者消费者问题
- coldplay.xixi转载
- 2021-02-09 17:43:212760浏览
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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 OOPclass 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
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
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
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();
}}
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();
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。
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。
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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