简介


多线程通信一直是高频面试考点,有些面试官可能要求现场手写生产者/消费者代码来考察多线程的功底,今天我们以实际生活中母鸡下蛋案例用代码剖析下实现过程。母鸡在鸡窝下蛋了,叫练从鸡窝里把鸡蛋拿出来这个过程,母鸡在鸡窝下蛋,是生产者,叫练捡出鸡蛋,叫练是消费者,一进一出就是线程中的生产者和消费者模型了,鸡窝是放鸡蛋容器。现实中还有很多这样的案例,如医院叫号。下面我们画个图表示下。
image.png

一对一生产和消费:一只母鸡和叫练


wait/notify

package com.duyang.thread.basic.waitLock.demo;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * @author :jiaolian
 * @date :Created in 2020-12-30 16:18
 * @description:母鸡下蛋:一对一生产者和消费者
 * @modified By:
 * 公众号:叫练
 */
public class SingleNotifyWait {

    //装鸡蛋的容器
    private static class EggsList {
        private static final List<String> LIST = new ArrayList();
    }

    //生产者:母鸡实体类
    private static class HEN {
        private String name;

        public HEN(String name) {
            this.name = name;
        }

        //下蛋
        public void proEggs() throws InterruptedException {
            synchronized (EggsList.class) {
                if (EggsList.LIST.size() == 1) {
                    EggsList.class.wait();
                }
                //容器添加一个蛋
                EggsList.LIST.add("1");
                //鸡下蛋需要休息才能继续产蛋
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println(name+":下了一个鸡蛋!");
                //通知叫练捡蛋
                EggsList.class.notify();
            }
        }
    }

    //人对象
    private static class Person {
        private String name;

        public Person(String name) {
            this.name = name;
        }
        //取蛋
        public void getEggs() throws InterruptedException {
            synchronized (EggsList.class) {
                if (EggsList.LIST.size() == 0) {
                    EggsList.class.wait();
                }
                Thread.sleep(500);
                EggsList.LIST.remove(0);
                System.out.println(name+":从容器中捡出一个鸡蛋");
                //通知叫练捡蛋
                EggsList.class.notify();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        //创造一个人和一只鸡
        HEN hen = new HEN("小黑");
        Person person = new Person("叫练");
        //创建线程执行下蛋和捡蛋的过程;
        new Thread(()->{
            try {
                for (int i=0; i<Integer.MAX_VALUE;i++) {
                    hen.proEggs();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
        //叫练捡鸡蛋的过程!
        new Thread(()->{
            try {
                for (int i=0; i<Integer.MAX_VALUE;i++) {
                    person.getEggs();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }
}

如上面代码,我们定义EggsList类来装鸡蛋,HEN类表示母鸡,Person类表示人。在主函数中创建母鸡对象“小黑”,人对象“叫练”, 创建两个线程分别执行下蛋和捡蛋的过程。代码中定义鸡窝中最多只能装一个鸡蛋(当然可以定义多个)。详细过程:“小黑”母鸡线程和“叫练”线程线程竞争锁,如果“小黑”母鸡线程先获取锁,发现EggsList鸡蛋的个数大于0,表示有鸡蛋,那就调用wait等待并释放锁给“叫练”线程,如果没有鸡蛋,就调用EggsList.LIST.add("1")表示生产了一个鸡蛋并通知“叫练”来取鸡蛋并释放锁让“叫练”线程获取锁。“叫练”线程调用getEggs()方法获取锁后发现,如果鸡窝中并没有鸡蛋就调用wait等待并释放锁通知“小黑”线程获取锁去下蛋,如果有鸡蛋,说明“小黑”已经下蛋了,就把鸡蛋取走,因为鸡窝没有鸡蛋了,所以最后也要通知调用notify()方法通知“小黑”去下蛋,我们观察程序的执行结果如下图。两个线程是死循环程序会一直执行下去,下蛋和捡蛋的过程中用到的锁的是EggsList类的class,“小黑”和“叫练”竞争的都是统一把锁,所以这个是同步的。这就是母鸡“小黑”和“叫练”沟通的过程。
image.png
神马???鸡和人能沟通!!
image.png

Lock条件队列

package com.duyang.thread.basic.waitLock.demo;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * @author :jiaolian
 * @date :Created in 2020-12-30 16:18
 * @description:母鸡下蛋:一对一生产者和消费者 条件队列
 * @modified By:
 * 公众号:叫练
 */
public class SingleCondition {

    private static Lock lock = new ReentrantLock();
    //条件队列
    private static Condition condition = lock.newCondition();

    //装鸡蛋的容器
    private static class EggsList {
        private static final List<String> LIST = new ArrayList();
    }

    //生产者:母鸡实体类
    private static class HEN {
        private String name;

        public HEN(String name) {
            this.name = name;
        }

        //下蛋
        public void proEggs() {
            try {
                lock.lock();
                if (EggsList.LIST.size() == 1) {
                    condition.await();
                }
                //容器添加一个蛋
                EggsList.LIST.add("1");
                //鸡下蛋需要休息才能继续产蛋
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println(name+":下了一个鸡蛋!");
                //通知叫练捡蛋
                condition.signal();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }

    //人对象
    private static class Person {
        private String name;

        public Person(String name) {
            this.name = name;
        }
        //取蛋
        public void getEggs() {
            try {
                lock.lock();
                if (EggsList.LIST.size() == 0) {
                    condition.await();
                }
                Thread.sleep(500);
                EggsList.LIST.remove(0);
                System.out.println(name+":从容器中捡出一个鸡蛋");
                //通知叫练捡蛋
                condition.signal();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        //创造一个人和一只鸡
        HEN hen = new HEN("小黑");
        Person person = new Person("叫练");
        //创建线程执行下蛋和捡蛋的过程;
        new Thread(()->{
            for (int i=0; i<Integer.MAX_VALUE;i++) {
                hen.proEggs();
            }
        }).start();
        //叫练捡鸡蛋的过程!
        new Thread(()->{
            for (int i=0; i<Integer.MAX_VALUE;i++) {
                person.getEggs();
            }
        }).start();
    }
}

如上面代码,只是将synchronized换成了Lock,程序运行的结果和上面的一致,wait/notify换成了AQS的条件队列Condition来控制线程之间的通信。Lock需要手动加锁lock.lock(),解锁lock.unlock()的步骤放在finally代码块保证锁始终能被释放。await底层是unsafe.park(false,0)调用C++代码实现。

多对多生产和消费:2只母鸡和叫练/叫练媳妇


wait/notifyAll

package com.duyang.thread.basic.waitLock.demo;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * @author :jiaolian
 * @date :Created in 2020-12-30 16:18
 * @description:母鸡下蛋:多对多生产者和消费者
 * @modified By:
 * 公众号:叫练
 */
public class MultNotifyWait {

    //装鸡蛋的容器
    private static class EggsList {
        private static final List<String> LIST = new ArrayList();
    }

    //生产者:母鸡实体类
    private static class HEN {
        private String name;

        public HEN(String name) {
            this.name = name;
        }

        //下蛋
        public void proEggs() throws InterruptedException {
            synchronized (EggsList.class) {
                while (EggsList.LIST.size() >= 10) {
                    EggsList.class.wait();
                }
                //容器添加一个蛋
                EggsList.LIST.add("1");
                //鸡下蛋需要休息才能继续产蛋
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println(name+":下了一个鸡蛋!共有"+EggsList.LIST.size()+"个蛋");
                //通知叫练捡蛋
                EggsList.class.notify();
            }
        }
    }

    //人对象
    private static class Person {
        private String name;

        public Person(String name) {
            this.name = name;
        }
        //取蛋
        public void getEggs() throws InterruptedException {
            synchronized (EggsList.class) {
                while (EggsList.LIST.size() == 0) {
                    EggsList.class.wait();
                }
                Thread.sleep(500);
                EggsList.LIST.remove(0);
                System.out.println(name+":从容器中捡出一个鸡蛋!还剩"+EggsList.LIST.size()+"个蛋");
                //通知叫练捡蛋
                EggsList.class.notify();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        //创造一个人和一只鸡
        HEN hen1 = new HEN("小黑");
        HEN hen2 = new HEN("小黄");
        Person jiaolian = new Person("叫练");
        Person wife = new Person("叫练媳妇");
        //创建线程执行下蛋和捡蛋的过程;
        new Thread(()->{
            try {
                for (int i=0; i<Integer.MAX_VALUE;i++) {
                    hen1.proEggs();
                    Thread.sleep(50);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
        new Thread(()->{
            try {
                for (int i=0; i<Integer.MAX_VALUE;i++) {
                    hen2.proEggs();
                    Thread.sleep(50);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
        //叫练捡鸡蛋的线程!
        new Thread(()->{
            try {
                for (int i=0; i<Integer.MAX_VALUE;i++) {
                    jiaolian.getEggs();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
        //叫练媳妇捡鸡蛋的线程!
        new Thread(()->{
            try {
                for (int i=0; i<Integer.MAX_VALUE;i++) {
                    wife.getEggs();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }
}

如上面代码,参照一对一生产和消费中wait/notify代码做了一些修改,创建了两个母鸡线程“小黑”,“小黄”,两个捡鸡蛋的线程“叫练”,“叫练媳妇”,执行结果是同步的,实现了多对多的生产和消费,如下图所示。有如下几点需要注意的地方:

  1. 鸡窝中能容纳最大的鸡蛋是10个。
  2. 下蛋proEggs()方法中判断鸡蛋数量是否大于等于10个使用的是while循环,wait收到通知,唤醒当前线程,需要重新判断一次,避免程序出现逻辑问题,这里不能用if,如果用if,程序可能出现EggsList有超过10以上鸡蛋的情况。这是这道程序中容易出现错误的地方,也是经常会被问到的点,值得重点探究下。
  3. 多对多的生产者和消费者。

image.png

Lock条件队列


import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * @author :jiaolian
 * @date :Created in 2020-12-30 16:18
 * @description:母鸡下蛋:多对多生产者和消费者 条件队列
 * @modified By:
 * 公众号:叫练
 */
public class MultCondition {

    private static Lock lock = new ReentrantLock();
    //条件队列
    private static Condition condition = lock.newCondition();

    //装鸡蛋的容器
    private static class EggsList {
        private static final List<String> LIST = new ArrayList();
    }

    //生产者:母鸡实体类
    private static class HEN {
        private String name;

        public HEN(String name) {
            this.name = name;
        }

        //下蛋
        public void proEggs() {
            try {
                lock.lock();
                while (EggsList.LIST.size() >= 10) {
                    condition.await();
                }
                //容器添加一个蛋
                EggsList.LIST.add("1");
                //鸡下蛋需要休息才能继续产蛋
                Thread.sleep(1000);
                System.out.println(name+":下了一个鸡蛋!共有"+ EggsList.LIST.size()+"个蛋");
                //通知叫练/叫练媳妇捡蛋
                condition.signalAll();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }

    //人对象
    private static class Person {
        private String name;

        public Person(String name) {
            this.name = name;
        }
        //取蛋
        public void getEggs() throws InterruptedException {
            try {
                lock.lock();
                while (EggsList.LIST.size() == 0) {
                    condition.await();
                }
                Thread.sleep(500);
                EggsList.LIST.remove(0);
                System.out.println(name+":从容器中捡出一个鸡蛋!还剩"+ EggsList.LIST.size()+"个蛋");
                //通知叫练捡蛋
                condition.signalAll();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        //创造一个人和一只鸡
        HEN hen1 = new HEN("小黑");
        HEN hen2 = new HEN("小黄");
        Person jiaolian = new Person("叫练");
        Person wife = new Person("叫练媳妇");
        //创建线程执行下蛋和捡蛋的过程;
        new Thread(()->{
            try {
                for (int i=0; i<Integer.MAX_VALUE;i++) {
                    hen1.proEggs();
                    Thread.sleep(50);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
        new Thread(()->{
            try {
                for (int i=0; i<Integer.MAX_VALUE;i++) {
                    hen2.proEggs();
                    Thread.sleep(50);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
        //叫练捡鸡蛋的线程!
        new Thread(()->{
            try {
                for (int i=0; i<Integer.MAX_VALUE;i++) {
                    jiaolian.getEggs();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
        //叫练媳妇捡鸡蛋的线程!
        new Thread(()->{
            try {
                for (int i=0; i<Integer.MAX_VALUE;i++) {
                    wife.getEggs();
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }).start();
    }
}

如上面代码,只是将synchronized换成了Lock,程序运行的结果和上面的一致,下面我们比较下Lock和synchronized的异同。这个问题也是面试中会经常问到的!

Lock和synchronized比较


Lock和synchronized都能让多线程同步。主要异同点表现如下!

  1. 锁性质:Lock乐观锁是非阻塞的,底层是依赖cas+volatile实现,synchronized悲观锁是阻塞的,需要上下文切换。实现思想不一样。
  2. 功能细节上:Lock需要手动加解锁,synchronized自动加解锁。Lock还提供颗粒度更细的功能,比如tryLock等。
  3. 线程通信:Lock提供Condition条件队列,一把锁可以对应多个条件队列,对线程控制更细腻。synchronized只能对应一个wait/notify。

主要就这些吧,如果对synchronized,volatile,cas关键字不太了解的童鞋,可以看看我之前的文章,有很详细的案例和说明。

总结


今天用生活中的例子转化成代码,实现了两种多线程中消费者/生产者模式,给您的建议就是需要把代码敲一遍,如果认真执行了一遍代码应该能看明白,喜欢的请点赞加关注哦。我是叫练【公众号】,边叫边练。
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