Java多线程4- Lock、Condition

Lock是java.util.concurrent.locks包下的接口，Lock 实现提供了比使用synchronized 方法和语句可获得的更广泛的锁定操作，它能以更优雅的方式处理线程同步问题，我们拿Java线程(二)中的一个例子简单的实现一下和sychronized一样的效果，代码如下：

publicclassLockTest{
publicstaticvoidmain(String[]args){
finalOutputter1output=newOutputter1();
newThread(){
publicvoidrun(){
output.output("zhangsan");
};
}.start();
newThread(){
publicvoidrun(){
output.output("lisi");
};
}.start();
}
}
classOutputter1{
privateLocklock=newReentrantLock();//锁对象
publicvoidoutput(Stringname){
//TODO线程输出方法
lock.lock();//得到锁
try{
for(inti=0;i<name.length();i++){
System.out.print(name.charAt(i));
}
}finally{
lock.unlock();//释放锁
}
}
}

这样就实现了和sychronized一样的同步效果，需要注意的是，用sychronized修饰的方法或者语句块在代码执行完之后锁自动释放，而是用Lock需要我们手动释放锁，所以为了保证锁最终被释放(发生异常情况)，要把互斥区放在try内，释放锁放在finally内。

如果说这就是Lock，那么它不能成为同步问题更完美的处理方式，下面要介绍的是读写锁(ReadWriteLock)，我们会有一种需求，在对数据进行读写的时候，为了保证数据的一致性和完整性，需要读和写是互斥的，写和写是互斥的，但是读和读是不需要互斥的，这样读和读不互斥性能更高些，来看一下不考虑互斥情况的代码原型：

publicclassReadWriteLockTest{
publicstaticvoidmain(String[]args){
finalDatadata=newData();
for(inti=0;i<3;i++){
newThread(newRunnable(){
publicvoidrun(){
for(intj=0;j<5;j++){
data.set(newRandom().nextInt(30));
}
}
}).start();
}
for(inti=0;i<3;i++){
newThread(newRunnable(){
publicvoidrun(){
for(intj=0;j<5;j++){
data.get();
}
}
}).start();
}
}
}
classData{
privateintdata;//共享数据
publicvoidset(intdata){
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"准备写入数据");
try{
Thread.sleep(20);
}catch(InterruptedExceptione){
e.printStackTrace();
}
this.data=data;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"写入"+this.data);
}
publicvoidget(){
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"准备读取数据");
try{
Thread.sleep(20);
}catch(InterruptedExceptione){
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"读取"+this.data);
}
}

部分输出结果：

Thread-1准备写入数据
Thread-3准备读取数据
Thread-2准备写入数据
Thread-0准备写入数据
Thread-4准备读取数据
Thread-5准备读取数据
Thread-2写入12
Thread-4读取12
Thread-5读取5
Thread-1写入12

我们要实现写入和写入互斥，读取和写入互斥，读取和读取互斥，在set和get方法加入sychronized修饰符：

publicsynchronizedvoidset(intdata){...}
publicsynchronizedvoidget(){...}

部分输出结果：

Thread-0准备写入数据
Thread-0写入9
Thread-5准备读取数据
Thread-5读取9
Thread-5准备读取数据
Thread-5读取9
Thread-5准备读取数据
Thread-5读取9
Thread-5准备读取数据
Thread-5读取9

我们发现，虽然写入和写入互斥了，读取和写入也互斥了，但是读取和读取之间也互斥了，不能并发执行，效率较低，用读写锁实现代码如下：

classData{
privateintdata;//共享数据
privateReadWriteLockrwl=newReentrantReadWriteLock();
publicvoidset(intdata){
rwl.writeLock().lock();//取到写锁
try{
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"准备写入数据");
try{
Thread.sleep(20);
}catch(InterruptedExceptione){
e.printStackTrace();
}
this.data=data;
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"写入"+this.data);
}finally{
rwl.writeLock().unlock();//释放写锁
}
}
publicvoidget(){
rwl.readLock().lock();//取到读锁
try{
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"准备读取数据");
try{
Thread.sleep(20);
}catch(InterruptedExceptione){
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"读取"+this.data);
}finally{
rwl.readLock().unlock();//释放读锁
}
}
}

部分输出结果：

Thread-4准备读取数据
Thread-3准备读取数据
Thread-5准备读取数据
Thread-5读取18
Thread-4读取18
Thread-3读取18
Thread-2准备写入数据
Thread-2写入6
Thread-2准备写入数据
Thread-2写入10
Thread-1准备写入数据
Thread-1写入22
Thread-5准备读取数据

从结果可以看出实现了我们的需求，这只是锁的基本用法，锁的机制还需要继续深入学习。

Condition

Condition 将 Object 监视器方法（wait、notify 和 notifyAll）分解成截然不同的对象，以便通过将这些对象与任意 Lock 实现组合使用，为每个对象提供多个等待 set （wait-set）。其中，Lock 替代了 synchronized 方法和语句的使用，Condition 替代了 Object 监视器方法的使用。下面将之前写过的一个线程通信的例子替换成用Condition实现，代码如下：

publicclassThreadTest2{
publicstaticvoidmain(String[]args){
finalBusinessbusiness=newBusiness();
newThread(newRunnable(){
@Override
publicvoidrun(){
threadExecute(business,"sub");
}
}).start();
threadExecute(business,"main");
}
publicstaticvoidthreadExecute(Businessbusiness,StringthreadType){
for(inti=0;i<100;i++){
try{
if("main".equals(threadType)){
business.main(i);
}else{
business.sub(i);
}
}catch(InterruptedExceptione){
e.printStackTrace();
}
}
}
}
classBusiness{
privatebooleanbool=true;
privateLocklock=newReentrantLock();
privateConditioncondition=lock.newCondition();
public/*synchronized*/voidmain(intloop)throwsInterruptedException{
lock.lock();
try{
while(bool){
condition.await();//this.wait();
}
for(inti=0;i<100;i++){
System.out.println("mainthreadseqof"+i+",loopof"+loop);
}
bool=true;
condition.signal();//this.notify();
}finally{
lock.unlock();
}
}
public/*synchronized*/voidsub(intloop)throwsInterruptedException{
lock.lock();
try{
while(!bool){
condition.await();//this.wait();
}
for(inti=0;i<10;i++){
System.out.println("subthreadseqof"+i+",loopof"+loop);
}
bool=false;
condition.signal();//this.notify();
}finally{
lock.unlock();
}
}
}

在Condition中，用await()替换wait()，用signal()替换notify()，用signalAll()替换notifyAll()，传统线程的通信方式，Condition都可以实现，这里注意，Condition是被绑定到Lock上的，要创建一个Lock的Condition必须用newCondition()方法。

这样看来，Condition和传统的线程通信没什么区别，Condition的强大之处在于它可以为多个线程间建立不同的Condition，下面引入API中的一段代码，加以说明。

classBoundedBuffer{
finalLocklock=newReentrantLock();//锁对象
finalConditionnotFull=lock.newCondition();//写线程条件
finalConditionnotEmpty=lock.newCondition();//读线程条件

finalObject[]items=newObject[100];//缓存队列
intputptr/*写索引*/,takeptr/*读索引*/,count/*队列中存在的数据个数*/;

publicvoidput(Objectx)throwsInterruptedException{
lock.lock();
try{
while(count==items.length)//如果队列满了
notFull.await();//阻塞写线程
items[putptr]=x;//赋值
if(++putptr==items.length)putptr=0;//如果写索引写到队列的最后一个位置了，那么置为0
++count;//个数++
notEmpty.signal();//唤醒读线程
}finally{
lock.unlock();
}
}

publicObjecttake()throwsInterruptedException{
lock.lock();
try{
while(count==0)//如果队列为空
notEmpty.await();//阻塞读线程
Objectx=items[takeptr];//取值
if(++takeptr==items.length)takeptr=0;//如果读索引读到队列的最后一个位置了，那么置为0
--count;//个数--
notFull.signal();//唤醒写线程
returnx;
}finally{
lock.unlock();
}
}
}

这是一个处于多线程工作环境下的缓存区，缓存区提供了两个方法，put和take，put是存数据，take是取数据，内部有个缓存队列，具体变量和方法说明见代码，这个缓存区类实现的功能：有多个线程往里面存数据和从里面取数据，其缓存队列(先进先出后进后出)能缓存的最大数值是100，多个线程间是互斥的，当缓存队列中存储的值达到100时，将写线程阻塞，并唤醒读线程，当缓存队列中存储的值为0时，将读线程阻塞，并唤醒写线程，下面分析一下代码的执行过程：

1. 一个写线程执行，调用put方法；

2. 判断count是否为100，显然没有100；

3. 继续执行，存入值；

4. 判断当前写入的索引位置++后，是否和100相等，相等将写入索引值变为0，并将count+1；

5. 仅唤醒读线程阻塞队列中的一个；

6. 一个读线程执行，调用take方法；

7. ……

8. 仅唤醒写线程阻塞队列中的一个。

这就是多个Condition的强大之处，假设缓存队列中已经存满，那么阻塞的肯定是写线程，唤醒的肯定是读线程，相反，阻塞的肯定是读线程，唤醒的肯定是写线程，那么假设只有一个Condition会有什么效果呢，缓存队列中已经存满，这个Lock不知道唤醒的是读线程还是写线程了，如果唤醒的是读线程，皆大欢喜，如果唤醒的是写线程，那么线程刚被唤醒，又被阻塞了，这时又去唤醒，这样就浪费了很多时间。