java併發程式設計之wait&notify VS lock&am

jdk5之前執行緒同步可以用synchronized/wait/notify來進行控制，jdk5以後新新增了lock/condition。他們之間有什麼聯絡與區別的？本文就用一個例子循序漸進的給大家展示一下：

首先來看一個有界快取的例子：

abstract class BaseBoundedBuffer {
    private final V[] buff;
    private int tail;
    private int head;
    private int count;
    protected BaseBoundedBuffer(int capacity){
        this.buff = (V[])new Object[capacity];
    }
    protected synchronized final void doPut(V v){//存
        buff[tail] = v;
        tail++;
        if(tail == buff.length){
            tail = 0;
        }
        count++;
    }
    protected synchronized final V doTake(){//get
        V v = buff[head];
        buff[head] = null;
        head++;
        if(head == buff.length){
            head = 0;
        }
        count--;
        return v;
    }
    protected synchronized final boolean isFull(){//是否是滿的
        return count == buff.length;
    }
    protected synchronized final boolean isEmpty(){//是否是空的
        return count == 0;
    }
}

class GrumpBoundedBufer extends BaseBoundedBuffer{
    public GrumpBoundedBufer(int size){
        super(size);
    }
    public synchronized void put(V v)throws BufferFullException{
        if(isFull()){//存的時候，如果是滿的，就拋異常
            throw new BufferFullException();
        }
        doPut(v);
    }
    public synchronized V take()throws BufferEmptyException{
        if(isEmpty()){//取的時候，如果是空的，就拋異常
            throw new BufferEmptyException();
        }
        return doTake();
    }
}

當然，上面的這種實現非常不友好，如果不滿足先驗條件就丟擲異常，但是在多執行緒條件下，先驗條件不會保持一個一成不變的狀態，佇列裡面的元素是在不停的變化的，因此我們用輪詢加休眠改進一下：

class SleepyBoundedBufer extends BaseBoundedBuffer{
    public SleepyBoundedBufer(int size){
        super(size);
    }
    public void put(V v) throws InterruptedException {
        while(true){
            synchronized(this){
                if(!isFull()){//如果不是滿的，可以存
                    doPut(v);
                    return;
                }
            }
            //如果是滿的，休眠1秒鐘，然後重試
            Thread.sleep(1000);
        }
    }
    public V take() throws InterruptedException {
        while(true){
            synchronized(this){
                if(!isEmpty()){//如果不是空的，就可以取
                    return doTake();
                }
            }
            //如果是空的，休眠1秒鐘，重試
            Thread.sleep(1000);
        }
    }
}

這種輪訓+休眠的方式的缺點：
（1）休眠多少時間合適呢？
（2）給呼叫者提出處理InterruptedException的新的要求，因為sleep是會丟擲這個異常的。

如果存在一種執行緒掛起的方式，它能保證，在某個條件變為真的時候，執行緒可以及時的甦醒過來，那就太好了！這就是條件佇列所做的事情。

使用內部條件佇列的實現方式：

class BoundedBufer extends BaseBoundedBuffer{
    protected BoundedBufer(int size) {
        super(size);
    }
    public synchronized void put(V v) throws InterruptedException {
        while(isFull()){//注意這裡的while，而不是if
            wait();//如果是滿的，把當前執行緒掛起
        }
        doPut(v);//如果不滿，就可以存
        notifyAll();//存了以後，喚醒所有的等待執行緒，因為可能有執行緒在等待取，放進來以後就可以取了
    }
    public synchronized V take() throws InterruptedException {
        while(isEmpty()){//注意這裡的while，而不是if
            wait();//如果是空的，把當前執行緒掛起
        }
        V v = doTake();//如果不空，取出來
        notifyAll();//然後喚醒所有的等待執行緒，因為有的執行緒可能在等待放，取出來以後就可以放了
        return v;
    }
}

這也是jdk5之前的解決方式。
條件佇列可以讓一組執行緒（叫做：等待集wait set）以某種方式等待相關條件變為真，條件佇列的元素不同於一般的佇列，一般佇列的元素是資料項，條件佇列的元素是執行緒。每個java物件都有一個內部鎖，同時還有一個內部條件佇列。一個物件的內部鎖和內部條件佇列是關聯在一塊的。Object.wait會自動釋放鎖，並請求os掛起當前執行緒，這樣就給其他執行緒獲得鎖並修改物件狀態的機會，當執行緒被喚醒以後，它會重新去獲取鎖。呼叫wait以後，執行緒就進入了物件的內部條件佇列裡面等待，呼叫notify以後，就從物件的內部條件佇列裡面選擇一個等待執行緒，喚醒。 因為會有多個執行緒因為不同的原因在同一個條件佇列中等待，因此，用notify而不用notifyAll是危險的！有的執行緒是在take()的時候阻塞，它等待的條件是佇列不空，有的執行緒是在put()的時候阻塞，它等待的條件是佇列非滿。 如果呼叫了take()以後notify的是總是阻塞在take上的執行緒，就掛了！

BoundedBufer的put和take是一種很保守的做法，每次向佇列裡面新增或者移除都進行notifyAll，可以進行如下的最佳化：
是有從空變為了非空，或者是從滿變為了不滿的時候，才需要從條件佇列裡面喚醒一個執行緒。

class ConditionalBoundedBufer extends BaseBoundedBuffer{
    protected ConditionalBoundedBufer(int size) {
        super(size);
    }
    public synchronized void put(V v) throws InterruptedException {
        while(isFull()){
            wait();
        }
        boolean isEmpty = isEmpty();
        doPut(v);
        if(isEmpty){//從空變為了非空的時候，才需要喚醒（而實際上需要喚醒那些take執行緒，而不是put執行緒）
            notifyAll();
        }
    }
    public synchronized V take() throws InterruptedException {
        while(isEmpty()){
            wait();
        }
        boolean isFull = isFull();
        V v = doTake();
        if(isFull){//從滿變為了不滿，才需要喚醒（而實際上需要喚醒那些put執行緒，而不是take執行緒）
            notifyAll();
        }
        return v;
    }
}

這只是一種小技巧，會加大程式的複雜性，不提倡！
從空變為了非空，喚醒的應該是那些阻塞在take()上的，從滿變為了不滿喚醒的應該是那些阻塞在put()上的執行緒，而notifyAll會把所有條件佇列裡面的所有的等待的執行緒全部喚醒，這就顯現出了內部條件佇列有一個缺陷：內部鎖只能有一個與之關聯的條件佇列。顯式的condition的出現就是為了解決這個問題。
正如Lock提供了比內部鎖更豐富的特徵一樣，condition也提供了比內部條件佇列更豐富更靈活的功能。一個lock可以有多個condition，一個condition只關聯到一個Lock。

class ConditionBoundedBufer {//使用顯式的條件變數，HLL的登場了
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition notEmpty = lock.newCondition();
    private Condition notFull = lock.newCondition();
    private final T[] items = (T[])new Object[100];
    private int head,tail,count;
    
    //阻塞，一直到notFull
    public void put(T t) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try{
            while(count == items.length){
                notFull.await();//等待非滿
            }
            items[tail] = t;
            tail ++;
            if(tail == items.length){
                tail = 0;
            }
            count++;
            notEmpty.signal();//喚醒那些執行take()而阻塞的執行緒
            
        }finally{
            lock.unlock();
        }
    }
    //阻塞，一直到notEmpty
    public T take() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try{
            while(count == 0){
                notEmpty.await();//等待非空
            }
            T t = items[head];
            items[head] = null;
            head ++;
            if(head == items.length){
                head = 0;
            }
            count--;
            notFull.signal();//喚醒那些執行put()而阻塞的執行緒
            return t;
        }finally{
            lock.unlock();
        }
    }
}

至此，上面的所有的問題已經全部完美的得到了解決！

希望以上對你理解wait&notify,lock&condition有所幫助，也歡迎大家觀看我的兩個影片課程：