JAVA并发编程系列(10)Condition条件队列-并发协作者

本文涉及的产品
云原生网关 MSE Higress,422元/月
服务治理 MSE Sentinel/OpenSergo,Agent数量 不受限
注册配置 MSE Nacos/ZooKeeper,118元/月
简介: 本文通过一线大厂面试真题,模拟消费者-生产者的场景,通过简洁的代码演示,帮助读者快速理解并复用。文章还详细解释了Condition与Object.wait()、notify()的区别,并探讨了Condition的核心原理及其实现机制。

一线大厂面试真题,模拟消费者-生产者场景。

   同样今天的分享,我们不纸上谈兵,也不空谈八股文。以实际面经、工作实战经验进行开题,然后再剖析核心源码原理。

   按常见面经要求,生产者生产完指定数量产品后,才能消费。消费者消费完这批产品后,生产者才能继续生产。

我们利用Condition可以协调线程之间的通知执行和阻塞等待特性,进行实现经典的【生产者-消费者】场景。代码有详细描述,

用最少代码演示,尽力让大家看一遍就能懂、能复用。


package lading.java.mutithread;
import cn.hutool.core.date.DateTime;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
 * 模拟生产者-消费者,生产者生产了产品后消费者才能消费,消费者消费完产品后才能继续生产产品
 * 每次随机最多生产4件产品,消费者消费完才能继续生产
 */
public class Demo011Condition {
    //可消费的产品数量
    public static AtomicInteger productNum = new AtomicInteger(0);
    //可重入锁
    public static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    //消费者信号
    public static Condition consumer = lock.newCondition();
    //生产者信号
    public static Condition producer = lock.newCondition();
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            while (true) {
                lock.lock();
                try {
                    //如果有产品可以消费
                    while (productNum.get() > 0) {
                        //生产者线程阻塞等待,并释放锁
                        producer.await();
                    }
                    //随机生产最多4件产品,耗时3s
                    Thread.sleep(3000);
                    int total = new Random().nextInt(4) + 1;
                    for (int i = 0; i < total; i++) {
                        System.out.println(DateTime.now().toString("YYYY-MM-dd hh:mm:ss SSS") + " 【" + Thread.currentThread().getName() + "】新生产了产品:" + productNum.incrementAndGet());
                    }
                    //通知消费者来消费
                    System.out.println("生产者 --> 已生产" + total + "件产品,可以过来消费。");
                    consumer.signalAll();
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        }, "生产者").start();
        new Thread(() -> {
            while (true) {
                lock.lock();
                try {
                    //没有可以消费,消费者进入阻塞等待,释放锁
                    while (productNum.get() == 0) {
                        consumer.await();
                    }
                    //消费者消费产品,耗时2s
                    Thread.sleep(2000);
                    int total = productNum.get();
                    while (productNum.get() != 0) {
                        System.out.println(DateTime.now().toString("YYYY-MM-dd hh:mm:ss SSS") + " 【" + Thread.currentThread().getName() + "】消费了产品:" + productNum.getAndDecrement());
                    }
                    //唤醒生产者继续生产
                    System.out.println("消费者 --> " + total + "件产品已清空,请继续生产。");
                    producer.signalAll();
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        }, "消费者").start();
    }
}

结果,消费者和生产者交叉运行。

生产好了产品,通知消费者消费;

消费者消费完产品,通知生产者继续生产产品。

image.png

1、Condition是什么?

    Condition很简单,它只是JUC包里的一个接口。定义了2个核心方法。

一个是await()方法,可以让线程进入阻塞等待。

另一个是signal()方法,可以唤醒指定线程。

image.png


1.1 具体看看Condition源码

      在AQS的内部类ConditionObject对这个接口进行了实现。我们看ConditionObject,他就是AQS里经典的FIFO条件等待队列。

image.png

ConditionObject的类结构图。

image.png

看了源码结构,和刚才总结一样,Condition有2大核心方法:

其中,await(),还有一个阻塞等待时间入参可选await(long time, TimeUnit unit):让当前线程进入阻塞,等待该条件唤醒,并设置等待超时时间;

然后signal()是唤醒等待该Condition的一个线程;而signalAll()是唤醒所有等待该Condition条件的线程。


2、Condition的条件等待唤醒和Object.wait()、notify()有什么区别

   问到正主了,其实这个问题也就是问:Condition的优点有哪些。最开始我们学JAVA编程,都是从synchronized开始,线程并发协调,常用的就是对象的wait(),nofity()方法。

   说到Condition的条件等待和唤醒,与JAVA对象的等待唤醒机制区别,就应该先说说ReentrantLock和synchronized的区别。这个区别在之前的文章《ReentrantLock核心原理剖析》有过分享。这里再补充几个。其中之一,就是ReentrantLock通过Condition条件队列实现多路通知,而synchronized只能单路通知。具体就是ReentrantLock可以通过多个不同的condition条件队列进行等待和唤醒,synchronized相当于功能单一的锁。

另外synchronized的锁是通过JVM实现,而ReentrantLock是通过接口api实现。


那Condition条件队列和对象的等待阻塞最大不同是什么?

一句话:Condition支持按顺序精准唤醒线程。而Object的做不到。

比如要求实现A和B执行完成后,C才能执行,而且C执行完成后才能执行D、F。任意指定协调条件,Condition都可以支持。

篇幅有限,这个精准唤醒多条件协调案例demo先不放上来了。


3、说说Condition条件队列核心原理

    那我们就说说await()方法是如何实现的,一句话,核心就是:调用await()方法后,当前线程进入阻塞,同时释放锁。

具体我们看看源码。


public final void await() throws InterruptedException {
            if (Thread.interrupted())
                throw new InterruptedException();
            //将自己加入到AQS的FIFO等待队列尾部,进入等待    
            Node node = addConditionWaiter();
            //释放锁资源
            int savedState = fullyRelease(node);
            int interruptMode = 0;
            //检测本线程节点是否在AQS同步队列中,如果不在就继续检测,直到发现在AQS同步队列中
            while (!isOnSyncQueue(node)) {
                //如果在队列中,就挂起本线程
                LockSupport.park(this);
                //如果被中断,则跳出循环
                if ((interruptMode = checkInterruptWhileWaiting(node)) != 0)
                    break;
            }
            //尝试获取锁-毕竟这期间有可能被唤醒了,以及是否发生过中断
            if (acquireQueued(node, savedState) && interruptMode != THROW_IE)
                interruptMode = REINTERRUPT;
            if (node.nextWaiter != null) // clean up if cancelled
                unlinkCancelledWaiters();
            if (interruptMode != 0)
                reportInterruptAfterWait(interruptMode);
        }

具体await()方法里,就是线程进入了阻塞状态,以及自旋,不断判断自己NODE节点是在等待队列,还是在AQS队列。如果在AQS队列,就说明已经被唤醒了,不用再继续阻塞。如果还在等待队列,就继续自旋。


最后,我们再看看signal()唤醒方法。唤醒该条件队列线程。如果ReentrantLock是公平锁,就唤醒等待时间最长的头节点线程,如果是非公平锁,就唤醒整个等待队列。

唤醒操作,其实就是从等待队列中,将头节点挪到AQS节点,这样这个节点就被唤醒,不用再阻塞。如果是signalAll(),就是将全部等待队列节点,挪到AQS,唤醒他们。


public final void signal() {
            //判断当前线程是否持有锁,只有持有锁才能唤醒其他线程,不持有锁,就抛异常
            if (!isHeldExclusively())
                throw new IllegalMonitorStateException();
            Node first = firstWaiter;
            if (first != null)
                doSignal(first);
        }
        //具体唤醒过程
        private void doSignal(Node first) {
            //尝试将头节点NODE唤醒,从等待队列中,挪到AQS队列,并通过CAS操作更新NODE状态
            do {
                if ( (firstWaiter = first.nextWaiter) == null)
                    lastWaiter = null;
                first.nextWaiter = null;
            } while (!transferForSignal(first) &&
                     (first = firstWaiter) != null);
        }

     今天就分享这么多,目前已分享synchronized、volatile、AQS、CAS、ReentrantLock、Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier、Condition,并发编程里的基础中的基础已经分享完了.

     下次我们分享线程池、并发容器、ThreadLocal、Future、FutureTask。

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