使用JUC并发工具包的Lock和Condition,实现生产者和消费者问题中的有界缓存

JDK5.0之前，用java实现生产者和消费者的唯一方式就是使用synchronized内置锁和wait/notify条件通知机制。JDK5.0之后提供了显示锁Lock和条件队列Condition，与内置锁和内置条件队列相对应，但是显示的锁和条件队列，功能更强大，更灵活。此外JDK5.0之后还提供了大量很有用的并发工具类，如BlockingQueue等，基于这些数据结构，能够方便、快速、高效的构建自己应用需要的效果。这里我们简单使用下显示锁和条件队列，来模拟有界缓存的实现，功能类似于JDK内置的阻塞队列BlockingQueue。

 

生产者和消费者问题，这里不再介绍了，网上有很多资料。这里提一个概念：条件谓词。条件谓词就是使某个依赖状态的操作能够成功的前提条件。对于有界缓存来说，只有当缓存不为空，消费者才能get数据，否则消费者必须等待；只有当缓存未满，生产者才能put数据，否者生产者必须等待。对于生产者线程来说，它的条件谓词是"缓存未满"；对于消费者来说，它的条件谓词是"缓存非空"。为什么要提到条件谓词呢？因为如果我们找到了所有的条件谓词，才能够清楚线程之间的关系和依赖，才能实现正确的等待和唤醒。《java并发编程实践》一书14.2节很好地阐了锁、条件队列、条件谓词这3者之间的联系。

 

首先我们使用最原始的synchronized和wait/notify机制，实现生产者和消费者问题中的有界缓存，代码如下：

package waitnotify;

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

public class InSideLock
{
	// 保护共享数据的锁
	private Object lockObj = new Object();

	// 缓冲池
	private List<String> pools = null;

	// 最大容量
	private int CAPACITY = 0;

	public InSideLock(int capacity)
	{
		this.pools = new ArrayList<String>(capacity);
		this.CAPACITY = capacity;
	}

	public void put(String e) throws InterruptedException
	{
		synchronized (lockObj)
		{
			while (pools.size() == CAPACITY)
			{
				// 调用wait,必须要持有锁,而且必须在while循环中测试条件
				lockObj.wait();
			}

			pools.add(e);
			lockObj.notifyAll();
		}
	}

	public String get() throws InterruptedException
	{
		synchronized (lockObj)
		{
			while (pools.size() == 0)
			{
				lockObj.wait();
			}

			String value = pools.remove(0);

			lockObj.notifyAll();

			return value;
		}
	}
}

使用显示锁和条件队列代码如下：

package waitnotify;

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;

public class VisibleLock
{
	// 保护共享数据的锁
	private Lock mainLock = new ReentrantLock();

	// 消费者等待的非空谓词
	private Condition notEmpty = mainLock.newCondition();

	// 生产者等待的非满谓词
	private Condition notFull = mainLock.newCondition();

	private List<String> pools = null;

	private int CAPACITY = 0;

	public VisibleLock(int capacity)
	{
		this.pools = new ArrayList<String>(capacity);
		this.CAPACITY = capacity;
	}

	public void put(String e) throws InterruptedException
	{
		mainLock.lock();

		try
		{
			while (pools.size() == CAPACITY)
			{
				notFull.await();
			}

			pools.add(e);
			
			// 使用条件队列的显示API,特别注意这里不能使用notify
			notEmpty.signalAll();
		} finally
		{
			mainLock.unlock();
		}

	}

	public String get() throws InterruptedException
	{
		mainLock.lock();

		try
		{
			while (pools.size() == 0)
			{
				notEmpty.await();
			}
                        String result = pools.remove(0);

			notFull.signalAll();

			return result;
		} finally
		{
			mainLock.unlock();
		}
	}
}

下面是测试生产者和消费者的代码：

package waitnotify;

public class Test
{
	public static void main(String[] args) throws Exception
	{
		final InSideLock pc = new InSideLock(10);

		Thread t1 = new Thread(new Runnable() {

			@Override
			public void run()
			{
				while (true)
				{
					try
					{
						System.out.println("get=" + pc.get());
					} catch (InterruptedException e)
					{
					}
				}

			}
		});

		Thread t2 = new Thread(new Runnable() {

			@Override
			public void run()
			{
				while (true)
				{
					try
					{
						long time = System.currentTimeMillis();
						System.out.println("put=" + time);

						pc.put(time + "");
					} catch (InterruptedException e)
					{
					}
				}

			}
		});

		t1.start();
		t2.start();

	}
}

可以发现使用内置锁和内置条件队列，与使用显示锁和显示条件队列代码几乎是一样的。