java多线程--“升级版”生产者消费者

Posted 2020-08-02 通凡

ReentrantLock介绍

ReentrantLock是一个可重入的互斥锁，又被称为“独占锁”。

顾名思义，ReentrantLock锁在同一个时间点只能被一个线程锁持有；而可重入的意思是，ReentrantLock锁，可以被单个线程多次获取。
ReentrantLock分为“公平锁”和“非公平锁”。它们的区别体现在获取锁的机制上是否公平。“锁”是为了保护竞争资源，防止多个线程同时操作线程而出错，ReentrantLock在同一个时间点只能被一个线程获取(当某线程获取到“锁”时，其它线程就必须等待)；ReentraantLock是通过一个FIFO的等待队列来管理获取该锁所有线程的。在“公平锁”的机制下，线程依次排队获取锁；而“非公平锁”在锁是可获取状态时，不管自己是不是在队列的开头都会获取锁。

ReentrantLock示例

通过对比“示例1”和“示例2”,我们能够清晰的认识lock和unlock的作用

示例1

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

// LockTest1.java
// 仓库
class Depot { 
    private int size;        // 仓库的实际数量
    private Lock lock;        // 独占锁

    public Depot() {
        this.size = 0;
        this.lock = new ReentrantLock();
    }

    public void produce(int val) {
        lock.lock();
        try {
            size += val;
            System.out.printf("%s produce(%d) --> size=%d\n", 
                    Thread.currentThread().getName(), val, size);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void consume(int val) {
        lock.lock();
        try {
            size -= val;
            System.out.printf("%s consume(%d) <-- size=%d\n", 
                    Thread.currentThread().getName(), val, size);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}; 

// 生产者
class Producer {
    private Depot depot;
    
    public Producer(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }

    // 消费产品：新建一个线程向仓库中生产产品。
    public void produce(final int val) {
        new Thread() {
            public void run() {
                depot.produce(val);
            }
        }.start();
    }
}

// 消费者
class Customer {
    private Depot depot;
    
    public Customer(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }

    // 消费产品：新建一个线程从仓库中消费产品。
    public void consume(final int val) {
        new Thread() {
            public void run() {
                depot.consume(val);
            }
        }.start();
    }
}

public class LockTest1 {  
    public static void main(String[] args) {  
        Depot mDepot = new Depot();
        Producer mPro = new Producer(mDepot);
        Customer mCus = new Customer(mDepot);

        mPro.produce(60);
        mPro.produce(120);
        mCus.consume(90);
        mCus.consume(150);
        mPro.produce(110);
    }
}

运行结果：

Thread-0 produce(60) --> size=60
Thread-1 produce(120) --> size=180
Thread-3 consume(150) <-- size=30
Thread-2 consume(90) <-- size=-60
Thread-4 produce(110) --> size=50

结果分析：
(01) Depot 是个仓库。通过produce()能往仓库中生产货物，通过consume()能消费仓库中的货物。通过独占锁lock实现对仓库的互斥访问：在操作(生产/消费)仓库中货品前，会先通过lock()锁住仓库，操作完之后再通过unlock()解锁。
(02) Producer是生产者类。调用Producer中的produce()函数可以新建一个线程往仓库中生产产品。
(03) Customer是消费者类。调用Customer中的consume()函数可以新建一个线程消费仓库中的产品。
(04) 在主线程main中，我们会新建1个生产者mPro，同时新建1个消费者mCus。它们分别向仓库中生产/消费产品。
根据main中的生产/消费数量，仓库最终剩余的产品应该是50。运行结果是符合我们预期的！

这个模型存在两个问题：
(01) 现实中，仓库的容量不可能为负数。但是，此模型中的仓库容量可以为负数，这与现实相矛盾！
(02) 现实中，仓库的容量是有限制的。但是，此模型中的容量确实没有限制的！
这两个问题，我们稍微会讲到如何解决。现在，先看个简单的示例2；通过对比“示例1”和“示例2”,我们能更清晰的认识lock(),unlock()的用途。

 

示例2

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

// LockTest2.java
// 仓库
class Depot { 
    private int size;        // 仓库的实际数量
    private Lock lock;        // 独占锁

    public Depot() {
        this.size = 0;
        this.lock = new ReentrantLock();
    }

    public void produce(int val) {
//        lock.lock();
//        try {
            size += val;
            System.out.printf("%s produce(%d) --> size=%d\n", 
                    Thread.currentThread().getName(), val, size);
//        } catch (InterruptedException e) {
//        } finally {
//            lock.unlock();
//        }
    }

    public void consume(int val) {
//        lock.lock();
//        try {
            size -= val;
            System.out.printf("%s consume(%d) <-- size=%d\n", 
                    Thread.currentThread().getName(), val, size);
//        } finally {
//            lock.unlock();
//        }
    }
}; 

// 生产者
class Producer {
    private Depot depot;
    
    public Producer(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }

    // 消费产品：新建一个线程向仓库中生产产品。
    public void produce(final int val) {
        new Thread() {
            public void run() {
                depot.produce(val);
            }
        }.start();
    }
}

// 消费者
class Customer {
    private Depot depot;
    
    public Customer(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }

    // 消费产品：新建一个线程从仓库中消费产品。
    public void consume(final int val) {
        new Thread() {
            public void run() {
                depot.consume(val);
            }
        }.start();
    }
}

public class LockTest2 {  
    public static void main(String[] args) {  
        Depot mDepot = new Depot();
        Producer mPro = new Producer(mDepot);
        Customer mCus = new Customer(mDepot);

        mPro.produce(60);
        mPro.produce(120);
        mCus.consume(90);
        mCus.consume(150);
        mPro.produce(110);
    }
}

运行结果（运行结果是偶然的）：

Thread-0 produce(60) --> size=-60
Thread-4 produce(110) --> size=50
Thread-2 consume(90) <-- size=-60
Thread-1 produce(120) --> size=-60
Thread-3 consume(150) <-- size=-60

结果说明：
“示例2”在“示例1”的基础上去掉了lock锁。在“示例2”中，仓库中最终剩余的产品是-60，而不是我们期望的50。原因是我们没有实现对仓库的互斥访问。

 

示例3

在“示例3”中，我们通过Condition去解决“示例1”中的两个问题：“仓库的容量不可能为负数”以及“仓库的容量是有限制的”。
解决该问题是通过Condition。Condition是需要和Lock联合使用的：通过Condition中的await()方法，能让线程阻塞[类似于wait()]；通过Condition的signal()方法，能让唤醒线程[类似于notify()]。

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

// LockTest3.java
// 仓库
class Depot {
    private int capacity;    // 仓库的容量
    private int size;        // 仓库的实际数量
    private Lock lock;        // 独占锁
    private Condition fullCondtion;            // 生产条件
    private Condition emptyCondtion;        // 消费条件

    public Depot(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
        this.size = 0;
        this.lock = new ReentrantLock();
        this.fullCondtion = lock.newCondition();
        this.emptyCondtion = lock.newCondition();
    }

    public void produce(int val) {
        lock.lock();
        try {
             // left 表示“想要生产的数量”(有可能生产量太多，需多此生产)
            int left = val;
            while (left > 0) {
                // 库存已满时，等待“消费者”消费产品。
                while (size >= capacity)
                    fullCondtion.await();
                // 获取“实际生产的数量”(即库存中新增的数量)
                // 如果“库存”+“想要生产的数量”>“总的容量”，则“实际增量”=“总的容量”-“当前容量”。(此时填满仓库)
                // 否则“实际增量”=“想要生产的数量”
                int inc = (size+left)>capacity ? (capacity-size) : left;
                size += inc;
                left -= inc;
                System.out.printf("%s produce(%3d) --> left=%3d, inc=%3d, size=%3d\n", 
                        Thread.currentThread().getName(), val, left, inc, size);
                // 通知“消费者”可以消费了。
                emptyCondtion.signal();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void consume(int val) {
        lock.lock();
        try {
            // left 表示“客户要消费数量”(有可能消费量太大，库存不够，需多此消费)
            int left = val;
            while (left > 0) {
                // 库存为0时，等待“生产者”生产产品。
                while (size <= 0)
                    emptyCondtion.await();
                // 获取“实际消费的数量”(即库存中实际减少的数量)
                // 如果“库存”<“客户要消费的数量”，则“实际消费量”=“库存”；
                // 否则，“实际消费量”=“客户要消费的数量”。
                int dec = (size<left) ? size : left;
                size -= dec;
                left -= dec;
                System.out.printf("%s consume(%3d) <-- left=%3d, dec=%3d, size=%3d\n", 
                        Thread.currentThread().getName(), val, left, dec, size);
                fullCondtion.signal();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public String toString() {
        return "capacity:"+capacity+", actual size:"+size;
    }
}; 

// 生产者
class Producer {
    private Depot depot;
    
    public Producer(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }

    // 消费产品：新建一个线程向仓库中生产产品。
    public void produce(final int val) {
        new Thread() {
            public void run() {
                depot.produce(val);
            }
        }.start();
    }
}

// 消费者
class Customer {
    private Depot depot;
    
    public Customer(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }

    // 消费产品：新建一个线程从仓库中消费产品。
    public void consume(final int val) {
        new Thread() {
            public void run() {
                depot.consume(val);
            }
        }.start();
    }
}

public class LockTest3 {  
    public static void main(String[] args) {  
        Depot mDepot = new Depot(100);
        Producer mPro = new Producer(mDepot);
        Customer mCus = new Customer(mDepot);

        mPro.produce(60);
        mPro.produce(120);
        mCus.consume(90);
        mCus.consume(150);
        mPro.produce(110);
    }
}

(某一次)运行结果：

Thread-0 produce( 60) --> left=  0, inc= 60, size= 60
Thread-1 produce(120) --> left= 80, inc= 40, size=100
Thread-2 consume( 90) <-- left=  0, dec= 90, size= 10
Thread-3 consume(150) <-- left=140, dec= 10, size=  0
Thread-4 produce(110) --> left= 10, inc=100, size=100
Thread-3 consume(150) <-- left= 40, dec=100, size=  0
Thread-4 produce(110) --> left=  0, inc= 10, size= 10
Thread-3 consume(150) <-- left= 30, dec= 10, size=  0
Thread-1 produce(120) --> left=  0, inc= 80, size= 80
Thread-3 consume(150) <-- left=  0, dec= 30, size= 50

代码中的已经包含了很详细的注释，这里就不再说明了。
更多“生产者/消费者模型”的更多内容，可以参考“Java多线程--“朴素”生产消费者问题”。
而关于Condition的内容，在后面我们会详细介绍。