Java进阶篇--Condition与等待通知机制
目录
Condition简介
Condition实现原理
代码示例
await与signal/signalAll的结合思考
代码示例
Condition简介
Condition是Java并发包中的一种机制，用于线程之间的协作和通信。它与锁（Lock）紧密配合使用，并提供了更高级别的等待/通知功能。
下面是Condition的一些特性和区别：
1. 精确唤醒：Condition可以实现精确的线程唤醒机制。使用Object类的wait()方法时，只能通过notify()或notifyAll()方法唤醒等待的线程，无法指定具体哪个线程被唤醒。而使用Condition的signal()方法可以精确地唤醒一个等待线程，或者使用signalAll()方法唤醒所有等待线程。
2. 多条件支持：Condition可以支持多个条件队列。一个Lock对象可以关联多个Condition对象，每个Condition对象都可以管理一个独立的等待队列。线程可以选择在特定的条件下等待和唤醒，从而更加灵活地实现线程间的协作。
3. 等待超时：使用Condition时，可以指定线程等待的时间。调用await()方法时可以传入超时时间，在超过指定时间后线程会自动被唤醒，无需显式地调用notify()或notifyAll()方法。
4. 可中断等待：Condition支持线程中断。调用await()方法后，如果线程被中断，会立即抛出InterruptedException异常，可以在异常处理中进行相应的操作。
5. 可以替代synchronized关键字：使用Condition和Lock可以替代传统的使用synchronized关键字实现线程间通信的方式，更加灵活和可控。Condition的功能更强大，提供了更多的等待/通知机制。
总的来说，Condition接口提供了更高级别、更强大的线程等待和通知机制。它与Lock接口配合使用，能够满足更复杂的线程间通信需求，具有更高的可控性和扩展性。相比之下，Object类的wait/notify方法更低级，功能相对有限。
Condition实现原理
Condition是Java并发包中的一个重要组件，用于实现基于锁的等待/通知机制。Condition的实现原理分析主要涉及等待队列、await()方法和signal/signalAll()方法三个方面。
1. 等待队列
Condition依赖于底层的锁机制来实现线程同步和互斥，而等待队列则是Condition用于管理等待线程的一种数据结构。在Lock对象中维护了一个等待队列来管理所有等待在该锁上的线程。
等待队列是一个FIFO（先进先出）的队列，其中每个节点代表了一个等待线程。当一个线程调用Condition的await()方法时，它会释放持有的锁并进入等待状态，同时将当前线程插入到等待队列的末尾。而当其他线程调用Condition的signal()或signalAll()方法时，会从等待队列的头部取出一个节点，并将其转移到锁的同步队列中。
2. await()方法实现原理
await()方法是Condition中最核心的方法之一，它用于将当前线程设置为等待状态，并加入到等待队列中。await()方法的具体实现流程如下：
(1) 获得Lock对象。
(2) 将线程状态设置为WAITING。
(3) 将当前线程加入到等待队列的尾部。
(4) 释放锁。
(5) 等待被唤醒。
当await()方法被执行后，线程会释放持有的锁，并进入等待状态。同时，当前线程会插入到Lock对象的等待队列中，等待其他线程调用signal()或signalAll()方法唤醒它。
3. signal/signalAll()方法实现原理
signal()和signalAll()方法是Condition中用于唤醒等待线程的方法。当锁的状态发生变化后，需要唤醒一个或多个等待线程来执行特定的操作，就可以调用这些方法。signal()方法通常只唤醒一个等待线程，而signalAll()方法则会唤醒所有等待线程。
signal/signalAll()方法的具体实现流程如下：
(1) 获得Lock对象。
(2) 从等待队列中取出头部节点。
(3) 将头部节点转移到Lock对象的同步队列中。
(4) 唤醒被转移节点的线程。
(5) 释放锁。
在执行signal/signalAll()方法时，需要获取Lock对象并从等待队列中取出头部节点。然后将头部节点转移到同步队列中，并唤醒该节点对应的线程。最后释放锁，使得其他线程可以继续竞争锁。
总的来说，Condition的实现依赖于底层的锁机制和等待队列，通过等待队列实现了线程的等待和唤醒，通过锁机制实现了线程同步和互斥。当一个线程调用await()方法时，会释放锁并进入等待状态，并且将当前线程加入到等待队列中。而当其他线程调用signal()或signalAll()方法时，会从等待队列中取出一个节点，并将其转移到同步队列中，并唤醒对应的线程。这样就可以实现线程之间的协作和通信，提供更高级别、更灵活的等待/通知机制。
代码示例
import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class main {
private final Lock lock = new ReentrantLock(); // 创建锁对象
private final Condition notFull = lock.newCondition(); // 非满条件
private final Condition notEmpty = lock.newCondition(); // 非空条件
private final Queue buffer = new LinkedList<>(); // 缓冲区
private final int capacity = 5; // 缓冲区容量
public void produce() throws InterruptedException {
while (true) {
lock.lock(); // 获取锁
try {
while (buffer.size() == capacity) { // 如果缓冲区满了，等待非满条件
notFull.await();
}
int item = produceItem(); // 生产物品
buffer.offer(item); // 放入缓冲区
System.out.println("生产: " + item);
notEmpty.signal(); // 唤醒等待非空条件的消费者线程
} finally {
lock.unlock(); // 释放锁
}
Thread.sleep(1000); // 生产物品的时间间隔
}
}
public void consume() throws InterruptedException {
while (true) {
lock.lock(); // 获取锁
try {
while (buffer.isEmpty()) { // 如果缓冲区空了，等待非空条件
notEmpty.await();
}
int item = buffer.poll(); // 从缓冲区取出物品
System.out.println("已消耗: " + item);
notFull.signal(); // 唤醒等待非满条件的生产者线程
} finally {
lock.unlock(); // 释放锁
}
Thread.sleep(1000); // 消费物品的时间间隔
}
}
private int produceItem() {
return (int) (Math.random() * 100); // 生产一个随机数作为物品
}
public static void main(String[] args) {
main producerConsumer = new main();
new Thread(() -> {
try {
producerConsumer.produce();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
new Thread(() -> {
try {
producerConsumer.consume();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}).start();
}
}
await与signal/signalAll的结合思考
await和signal/signalAll是Condition接口定义的方法，用于线程之间的协作和通信。下面是一些思考：
1、await方法的作用是什么？
await方法用于使当前线程等待，直到某个条件为真。当线程调用await方法后，它会释放锁，并进入等待状态，直到其他线程通过signal或signalAll方法将其唤醒。
2、signal方法的作用是什么？
signal方法用于唤醒一个等待中的线程。当某个条件发生变化时，可以调用signal方法来选择唤醒其中一个等待的线程。被唤醒的线程会尝试重新获得锁，并继续执行。
3、signalAll方法的作用是什么？
signalAll方法用于唤醒所有等待中的线程。当某个条件发生变化时，可以调用signalAll方法来唤醒所有等待的线程。被唤醒的线程会尝试重新获得锁，并继续执行。
4、为什么需要使用await和signal/signalAll来实现线程协作和通信？
- 使用锁和条件的方式可以实现更加精细的线程协作和通信。通过await方法，线程可以主动释放锁，并等待某个条件的发生；
- 而通过signal/signalAll方法，线程可以选择性地唤醒等待的线程，从而实现更加灵活的线程调度和通信。
5、怎么选择使用signal还是signalAll方法？
- 如果只有一个线程在等待某个条件，那么使用signal方法来唤醒等待的线程即可。
- 如果有多个线程在等待某个条件，而且需要同时唤醒它们，那么使用signalAll方法来唤醒所有等待的线程。
6、使用await和signal/signalAll方法需要注意什么？
- 在使用await方法前，必须先获得锁。否则会抛出IllegalMonitorStateException异常。
- await方法被调用后，当前线程会释放锁，并进入等待状态，直到其他线程调用signal或signalAll方法来唤醒它。
- 唤醒等待的线程后，被唤醒的线程会尝试重新获得锁，但不一定立即成功，需要竞争锁资源，可能会有其他线程先获取到锁并执行。
- 在使用signal/signalAll方法时，应该确保在调用这些方法之前已经改变了相应的条件，否则可能导致等待的线程无法满足条件而继续等待。
这种等待/通知机制的典型应用场景是生产者与消费者问题。生产者线程通过获取锁并进入等待状态，直到有消费者线程进行通知唤醒。消费者线程在消费完数据后，再次获取锁并通知等待中的生产者线程。这样可以实现生产者与消费者之间的协同工作，避免了无效的轮询和资源浪费。
需要注意的是，在使用await和signal/signalAll时，应该确保在调用这些方法之前已经改变了相应的条件，这样等待的线程才能满足条件而被唤醒。
总的来说，await和signal/signalAll是一种强大的线程协作和通信机制，在多线程编程中可以帮助我们实现高效的线程调度和通信模式。合理使用这些方法可以避免死锁、提高程序的性能和可靠性。
代码示例
以下是一个简单的示例代码，演示了如何使用await和signal方法实现线程之间的等待和通知机制，以解决生产者与消费者问题。
import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class main {
private final Lock lock = new ReentrantLock();
private final Condition notFull = lock.newCondition();
private final Condition notEmpty = lock.newCondition();
private final Queue queue = new LinkedList<>();
private final int MAX_SIZE = 10;
public void produce() throws InterruptedException {
lock.lock(); // 获取锁
try {
while (queue.size() == MAX_SIZE) {
// 队列已满，生产者进入等待状态
notFull.await();
}
// 生产数据
int number = getNextNumber();
queue.offer(number);
System.out.println("生产: " + number);
// 唤醒一个等待中的消费者线程
notEmpty.signal();
} finally {
lock.unlock(); // 释放锁
}
}
public void consume() throws InterruptedException {
lock.lock(); // 获取锁
try {
while (queue.isEmpty()) {
// 队列为空，消费者进入等待状态
notEmpty.await();
}
// 消费数据
int number = queue.poll();
System.out.println("已消耗: " + number);
// 唤醒一个等待中的生产者线程
notFull.signal();
} finally {
lock.unlock(); // 释放锁
}
}
private int getNextNumber() {
// 模拟生成数据的过程
return (int) (Math.random() * 100);
}
public static void main(String[] args) {
main example = new main();
// 创建生产者线程
Thread producerThread = new Thread(() -> {
try {
while (true) {
example.produce();
Thread.sleep(1000); // 生产一个数据后休眠1秒
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
// 创建消费者线程
Thread consumerThread = new Thread(() -> {
try {
while (true) {
example.consume();
Thread.sleep(2000); // 消费一个数据后休眠2秒
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
// 启动线程
producerThread.start();
consumerThread.start();
}
}
在这个例子中，我们使用了Lock和Condition对象来实现等待/通知机制。生产者线程通过调用notFull.await()方法进入等待状态，直到队列不满时被唤醒；消费者线程通过调用notEmpty.await()方法进入等待状态，直到队列非空时被唤醒。
注意，在生产者生产数据后，需要调用notEmpty.signal()方法来唤醒一个等待中的消费者线程；在消费者消费数据后，需要调用notFull.signal()方法来唤醒一个等待中的生产者线程。这样就实现了生产者与消费者的协作工作。