java线程间的协作
本次内容主要讲等待/通知机制以及用等待/通知机制手写一个数据库连接池。
1、为什么线程之间需要协作
线程之间相互配合,完成某项工作,比如:一个线程修改了一个对象的值,而另一个线程感知到了变化,然后进行相应的操作,整个过程开始于一个线程,而最终执行又是另一个线程。前者是生产者,后者就是消费者,这种模式隔离了“做什么”(What)和“怎么做”(How)。简单的办法是让消费者线程不断地循环检查变量是否符合预期,在while循环中设置不满足的条件,如果条件满足则退出while循环,从而完成消费者的工作。这样进行线程之间的协作却存在如下2个问题:
(1)难以确保及时性。
(2)难以降低开销。如果降低睡眠的时间,比如休眠1毫秒,这样消费者能更加迅速地发现条件变化,但是却可能消耗更多的处理器资源,造成了无端的浪费。
那么有没有什么办法可以解决以上2个问题呢?此时等待/通知机制毫不客气的站出来说,都让开,交给我,我能行!
2、等待/通知机制
2.1 等待/通知机制介绍
等待/通知机制是指一个线程A调用了对象obejct的wait()方法进入等待状态,而另一个线程B调用了对象obejct的notify()或者notifyAll()方法,线程A收到通知后从对象obejct的wait()方法返回,进而执行后续操作。上述两个线程通过对象obejct来完成交互,而对象上的wait()和notify/notifyAll()的关系就如同开关信号一样,用来完成等待方和通知方之间的交互工作。
notify():
通知一个在对象上等待的线程,使其从wait()方法返回,而返回的前提是该线程获取到了对象的锁。哪个线程能得到通知是随机的,不能指定。
notifyAll():
通知所有等待在该对象上的线程,这些线程会去竞争对象锁,得到锁的某一个线程可以继续执行wait()后的逻辑。
wait():
调用该方法的线程进入 WAITING状态,只有等待另外线程的通知或被中断才会返回。需要注意,调用wait()方法后,会释放对象的锁。
wait(long):
超时等待一段时间,这里的参数时间是毫秒,也就是等待长达n毫秒,如果没有通知就超时返回。
wait (long,int):
对于超时时间更细粒度的控制,可以达到纳秒。
2.1 等待/通知机制使用的标准范式
等待方遵循如下原则:
(1)获取对象的锁。
(2)如果条件不满足,那么调用对象的wait()方法,被通知后仍要检查条件。
(3)条件满足则执行对应的逻辑。
用一段伪代码表示:
synchronized (对象) { while (条件不满足) { 对象.wait(); } 对应逻辑处理 }
通知方遵循如下原则:
(1)获得对象的锁。
(2)改变条件。
(3)通知所有等待在对象上的线程。
(4)通知方法放在同步代码块的最后一行。
用一段伪代码表示:
synchronized (对象) { 改变条件 对象.notifyAll(); }
在调用wait()、notify()和notifyAll()方法之前,线程必须要获得该对象的对象锁,即只能在同步方法或同步块中调用wait()方法、notify()和notifyAll()方法。调用wait()方法后,当前线程释放锁, 执行notify()和notifyAll()方法的线程退出synchronized代码块的时候,假设是执行的notifyAll(),会唤醒所有处于等待的线程,这些线程会去竞争对象锁。如果其中一个线程A获得了该对象锁,线程A就会继续往下执行,其余被唤醒的线程处于阻塞状态。在线程A退出synchronized代码块释放锁后,其余已经被唤醒的处于阻塞状态的线程将会继续竞争该锁,一直进行下去,直到所有被唤醒的线程都执行完毕。
2.2 notify()和notifyAll()应该用谁
尽可能用notifyAll(),谨慎使用notify(),因为notify()只会唤醒一个线程,我们无法确保被唤醒的这个线程一定就是我们需要唤醒的线程。
2.3 手写一个数据库连接池
我们在使用数据库连接池的时候,当某一个线程超过配置的最大等待时长还没有拿到连接时,就会报出异常。我们使用等待/通知机制来模拟一个数据库连接池。分别定义连接类、连接池实现类和测试类。
连接类:
import java.sql.*; import java.util.Map; import java.util.Properties; import java.util.concurrent.Executor; public class MySqlConnection implements Connection { public static final Connection createConnection(){ return new MySqlConnection(); } //todo 其余接口使用默认实现,这里就不一一给出。 }
连接池实现类:
import java.sql.Connection; import java.util.LinkedList; public class MyConnectionPool { /**装连接的容器*/ private static LinkedList<Connection> pool = new LinkedList<>(); /** * 初始化连接池 * @param poolSize */ public MyConnectionPool(int poolSize){ if(poolSize > 0){ for (int i = 0; i < poolSize; i++) { pool.add(MySqlConnection.createConnection()); } } } /** * 释放一个连接 * @param connection */ public void releaseConnection(Connection connection){ if(connection != null){ synchronized (pool){ pool.add(connection); pool.notifyAll(); } } } /** * 获取一个连接 * @param millions 超时时间 * @return */ public Connection getConnection(long millions){ synchronized (pool){ if(millions <= 0){ while (pool.isEmpty()){ try { pool.wait(); }catch (InterruptedException e){ e.printStackTrace(); } } return pool.removeFirst(); } else { //计算超时时刻 long overTime = System.currentTimeMillis() + millions; //剩余等待时长 long remaining = millions; //当剩余等待时间大于0并且连接池为空,就等待 while (remaining > 0 && pool.isEmpty()){ try { pool.wait(); }catch (InterruptedException e){ e.printStackTrace(); } //被唤醒后重新计算剩余等待时长 remaining = overTime - System.currentTimeMillis(); } Connection result = null; if(!pool.isEmpty()){ result = pool.removeFirst(); } return result; } } } }
测试类:
import java.sql.Connection; import java.sql.Statement; import java.util.concurrent.CountDownLatch; import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger; public class MyConnectionPoolTest { /**初始化10个数据库连接*/ static MyConnectionPool pool = new MyConnectionPool(10); /**等待时长为1秒*/ static long maxWait = 1000; /**获取连接的线程数量*/ static int threadNumber = 500; /**所有获取连接线程执行完成后再执行main线程*/ static CountDownLatch mainCountDownLatch = new CountDownLatch(threadNumber); /**保证所有获取连接线程同时执行*/ static CountDownLatch workCountDownLatch = new CountDownLatch(threadNumber); static class Worker implements Runnable{ AtomicInteger success; AtomicInteger fail; public Worker(AtomicInteger success, AtomicInteger fail){ this.success = success; this.fail = fail; } @Override public void run() { try { workCountDownLatch.await(); Connection connection = pool.getConnection(maxWait); if(connection != null){ try{ Statement statement = connection.createStatement(); Thread.sleep(30);//休眠30毫秒模拟实际业务 connection.commit(); }finally { pool.releaseConnection(connection); success.getAndAdd(1); } } else { fail.getAndAdd(1); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "等待超时,没有拿到连接!"); } }catch (Exception e){ e.printStackTrace(); } mainCountDownLatch.countDown(); } } public static void main(String[] args) { AtomicInteger success = new AtomicInteger(0);//记录成功次数 AtomicInteger fail = new AtomicInteger(0);//记录失败次数 for (int i = 0; i < threadNumber; i++) { new Thread(new Worker(success, fail)).start(); workCountDownLatch.countDown(); } try { mainCountDownLatch.await(); }catch (InterruptedException e){ e.printStackTrace(); } System.out.println("总共尝试获取连接次数:" + threadNumber); System.out.println("成功次数:" + success.get()); System.out.println("失败次数:" + fail.get()); } }
运行程序,从输出结果可以看出,通过通知/等待超时模式成功的实现了一个简易的数据库连接池。
2.4 常见面试题
调用yield() 、sleep()、wait()、notify()等方法对锁有何影响?
答:yield() 、sleep()被调用后,都不会释放当前线程所持有的锁。
调用wait()方法后,会释放当前线程持有的锁,而且当前线程被唤醒后,会重新去竞争锁,得到锁到后才会执行wait()方法后面的代码。
调用notify()系列方法后,对锁无影响,线程只有在synchronized同步代码执行完后才会自然而然的释放锁,所以notify()系列方法一般都是synchronized同步代码的最后一行。
线程的并发工具类在下一篇文章中介绍,在阅读过程中如发现描述有误,请指出,谢谢。