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
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
- wait()
- 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()
- await()
- 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》
-
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
- 在队列尾部插入元素：若队列已满，分别会：
-
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。
