【java併發程式設計】Lock & Condition 協調同步生產消費

字母哥部落格 發表於 2022-05-14
Java

【java併發程式設計】Lock & Condition 協調同步生產消費

一、協調生產/消費的需求

本文內容主要想向大家介紹一下Lock結合Condition的使用方法,為了更好的理解Lock鎖與Condition鎖訊號,我們來手寫一個ArrayBlockingQueue。 JDK實際上已經有這個類,基於Lock鎖與Condition鎖訊號實現的,當然JDK實現程式碼很複雜包含了更嚴謹的邏輯校驗,以及從效能優化的角度做了更多的工作。本文中我們只是來簡單實現一下其核心邏輯:

  • ArrayBlockingQueue初始化構造時指定容量上限最大值
  • 提供put方法,當達到Queue佇列容量上限最大值,阻塞生產資料的執行緒。
  • put方法生產資料之後,佇列肯定是不為空,通知消費者執行緒進行消費。
  • 提供take方法,當Queue佇列容量為0時候,阻塞消費資料的執行緒。
  • take方法執行之後,佇列肯定不是滿的,通知生產者執行緒進行生產。
  • 一條資料只能被take一次,take之後資料從queue中刪除

相信實現完成上面的邏輯之後,java併發程式設計之Lock鎖與Condition鎖訊號,你肯定是掌握了!其實這個邏輯基本上就是kafka生產者客戶端緩衝佇列,批量進行資料傳送的實現邏輯。區別是take方法一次取出緩衝區所有資料,本文take方法一次取出一條資料。

二、構造方法

構造佇列的方法很簡單,使用一個List作為資料儲存佇列,並指定其容量。到此我們還沒有實現容量判斷,以及阻塞執行緒的功能。

//類成員變數-儲存資料的佇列
private List<Object> queue;
//類成員變數-儲存佇列的容量上限
private int queueSize;

public MyBlockingQueue(int queueSize) {
  this.queueSize = queueSize;
  queue = new ArrayList<>(queueSize);//儲存訊息的集合
}

三、Lock& Condition邏輯設計

首先我們要有一把鎖,保證資料put與take操作的同步性,即:一條資料只能被take一次,take之後資料從queue中刪除;以及建立Condition邏輯都需要Lock鎖。學過java基礎併發程式設計的同學,可以把Lock鎖理解為Synchronized 同步程式碼塊功能是一樣的。我寫過一個專欄《java併發程式設計》中介紹了二者的區別,歡迎關注。

private Lock lock = new ReentrantLock();//鎖

Condition邏輯大家可以理解為傳統JDK多執行緒程式設計中的wait與notify,但是Condition的語義更容易被理解。如下文程式碼所示:

private Condition notFull = lock.newCondition();   //佇列不為滿

notFull.signal();   //通知生產者佇列不為滿,可以繼續生產資料(通常在消費者拿走資料之後,呼叫)
notFull.await();    //佇列已滿,阻塞生產執行緒(await對condition邏輯取反)
private Condition notEmpty = lock.newCondition();  //佇列不為空

notEmpty.signal();  //通知消費者執行緒佇列不為空,可以繼續消費資料(通常在生產者生產資料之後,呼叫)
notEmpty.await();  //佇列已經空了,阻塞消費執行緒(await對condition邏輯取反)

大家在使用Lock& Condition進行執行緒同步協調的時候,一定像我一樣先把condition的邏輯語義設計好

  • 將當xxxx時候的表達,設計為condition。
  • 當情況滿足condition的時候發出訊號signal()通知其他執行緒;
  • 當情況與condtion正好相反的的時候,使用await阻塞當前執行緒。

四、put放入資料

其實最重要的就是完成Lock& Condition邏輯設計,剩下的就是填空了,模板如下

【java併發程式設計】Lock & Condition 協調同步生產消費

通過while迴圈判斷佇列當前容量是否達到容量上限,如果達到上限就表示佇列滿了。佇列滿了(notFull取反使用await),await阻塞生產執行緒向佇列中繼續放入資料。在這裡,有小夥伴曾經問過我一個奇葩的問題:多執行緒持有同一個lock鎖,你怎麼知道阻塞的是生產執行緒,而不是消費執行緒呢? 答:一個執行緒是生產執行緒還是消費執行緒,取決於它的動作(呼叫什麼方法),並沒有一個標籤給它定義死,呼叫put方法放入資料的就是生產資料的執行緒。while/await組合是標準寫法,請不要隨意創新改成if,否則你會遇到很多詭異的bug。

//佇列滿了,await阻塞生產執行緒
while (queue.size() >= queueSize) {
  System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "等待,因為佇列滿了" );
  notFull.await();
}

向佇列中新增一條資料,此時我們可以確定佇列是notEmpty,所以使用notEmpty.signal()向生產者傳送訊號。這裡問題又來了:多執行緒持有同一個lock鎖,你怎麼知道通知的是消費者執行緒,而不是生產者執行緒呢? 答案是我確實不知道,所以在上文中的while (queue.size() >= queueSize)採用的是while,而不是if。即使生產者執行緒被喚醒了,while判斷也會把它await攔住。

//向佇列新增一條訊息,同時通知消費者有新訊息了
queue.add(message);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "生產" + message );
notEmpty.signal();//通知消費者執行緒

五、take消費資料

take從佇列中取出資料,取出資料之後,佇列肯定是notFull ,所以發出notFull.signal訊號。當佇列空了(notEmpty使用await取反),await同時阻塞消費者執行緒。

public Object take() throws InterruptedException {
  Object retVal = null;
  lock.lock();//操作佇列先加鎖
  try {
    //佇列空了,通知生產執行緒,消費執行緒阻塞
    while (queue.size() == 0) {
      System.out.println("佇列已經空了,停止消費!");
      notEmpty.await();
    }
    //佇列刪除一條訊息,同時通知生產者佇列有位置了
    retVal = queue.get(0);
    queue.remove(0);
    notFull.signal();   //同時通知生產者佇列
  } finally {
    lock.unlock();
  }
  return retVal;
}

我相信有了上面put方法的基礎,理解take方法中的程式碼,就非常容易了,這裡我就不做過多的說明了。

六、生產消費測試

public static void main(String[] args) {
  //為了方便檢視測試結果,我們的佇列容量設定小一些
  MyBlockingQueue queue  = new MyBlockingQueue(2);

  //生產者執行緒
  new Thread(()->{
    for(int i = 0;i < 5;i++){
      try {
        queue.put("msg" + i);  //放入5條資料
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
  }).start();

  //消費者執行緒
  new Thread(()->{
    while(true){  //一直消費
      try {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                + "消費資料" + queue.take());
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
  }).start();
}

輸出結果如下,滿足我們的需求。佇列滿了,生產者執行緒Thread-0等待;生產消費互相協調通知,最終資料消費完成,佇列空了,消費者執行緒阻塞。

Thread-0生產msg0
Thread-0生產msg1
Thread-0等待,因為佇列滿了
Thread-1消費資料msg0
Thread-0生產msg2
Thread-0等待,因為佇列滿了
Thread-1消費資料msg1
Thread-0生產msg3
Thread-0等待,因為佇列滿了
Thread-1消費資料msg2
Thread-0生產msg4
Thread-1消費資料msg3
Thread-1消費資料msg4
佇列已經空了,停止消費!

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