java多线程三之线程协作与通信实例

多线程的难点主要就是多线程通信协作这一块了，前面笔记二中提到了常见的同步方法，这里主要是进行实例学习了，今天总结了一下3个实例：

1、银行存款与提款多线程实现，使用Lock锁和条件Condition。     附加 ： 用监视器进行线程间通信

2、生产者消费者实现，使用LinkedList自写缓冲区。

3、多线程之阻塞队列学习，用阻塞队列快速实现生产者消费者模型。    附加：用布尔变量关闭线程

       在三种线程同步方法中，我们这里的实例用Lock锁来实现变量同步，因为它比较灵活直观。

       实现了变量的同步，我们还要让多个线程之间进行“通话”，就是一个线程完成了某个条件之后，告诉其他线程我完成了这个条件，你们可以行动了。下面就是java提供的条件接口Condition定义的同步方法：

       很方便的是，java的Lock锁里面提供了newConditon()方法可以，该方法返回：一个绑定了lock锁的Condition实例，有点抽象，其实把它看作一个可以发信息的锁就可以了，看后面的代码，应该就能理解了。

1、银行存款与提款多线程实现。

我们模拟ATM机器存款与提款，创建一个账户类Account()，该类包含同步方法：

     存款方法：deposit()

     提款方法：withdraw()

     以及一个普通的查询余额的方法getbalance().

我们创建两个任务线程，分别调用两个同步方法，进行模拟操作，看代码：

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class ThreadCooperation {
	private static Account account = new Account();
	public static void main(String[] args)
	{
		//创建线程池
		ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
		executor.execute(new DepositTask());
		executor.execute(new WithdrawTask());
	}
	//存钱
	public static class DepositTask implements Runnable
	{
		@Override
		public void run() {
			try {
				while(true)
				{
					account.deposit((int)(Math.random()*1000)+1);
					Thread.sleep(1000);
				}
				} catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
			}
		}
	}
	public static class WithdrawTask implements Runnable
	{
		@Override
		public void run() {
			try{
				while(true)
				{
					account.withdraw((int)(Math.random()*1000)+1);
					Thread.sleep(500);
				}
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}

	public static class Account
	{
		//一个锁是一个Lock接口的实例   它定义了加锁和释放锁的方法     ReentrantLock是为创建相互排斥的锁的Lock的具体实现
		private static Lock lock = new ReentrantLock();
		//创建一个condition，具有发通知功能的锁，前提是要实现了lock接口
		private static Condition  newDeposit = lock.newCondition();
		private int balance = 0;
		public int getBalance()
		{
			return balance;
		}
		public void withdraw(int amount)
		{
			lock.lock();
			try {
				while(balance < amount)
				{
				System.out.println("\t\t钱不够，等待存钱");
					newDeposit.await();
				}
				balance -= amount;
				System.out.println("\t\t取出"+amount+"块钱\t剩余"+getBalance());
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}finally{
				lock.unlock();
			}
		}

		public void deposit(int amount)
		{
			lock.lock();
			try{
				balance+=amount;
				System.out.println("存入"+amount+"块钱");
				newDeposit.signalAll();   //发信息唤醒所有的线程
			}
			finally{
				lock.unlock();
			}
		}
	}
}

运行截图

分析：

      1、程序中需要注意的：创建一个condition，具有发通知功能的锁，前提是要实现了lock接口。

      2、while(balance < amount)不能改用if判断，用if会使得线程不安全，使用if会不会进行循环验证，而while会，我们经常看到while(true)，但是不会经常看到if(true).

      3、调用了await方法后，要记得使用signalAll()或者signal()将线程唤醒，否则线程永久等待。

       最后再来分析一下这个类的结构，有3个类，两个静态任务类实现了Runnable接口，是线程类，而另外一个类则是普通的任务类，包含了线程类所用到的方法。我们的主类在main方法前面就实例化一个Account类，以供线程类调用该类里面的同步方法。

      这种构造方式是多线程常用到的一种构造方式吧。不难发现后面要手写的生产者消费者模型也是这样子构造的。这相当于是一个多线程模板。也是我们学习这个例子最重要的收获吧。

 

 

用监视器进行线程之间的通信

       还有一点，接口Lock与Condition都是在java5之后出现的，在这之前，线程通信是通过内置的监视器（monitor）实现的。

      监视器是一个相互排斥且具有同步能力的对象，任意对象都有可能成为一个monitor。监视器是通过synchronized关键字来对自己加锁（加锁解锁是解决线程同步最基本的思想），使用wait()方法时线程暂停并 等待条件发生，发通知则是通过notify()和notifyAll()方法。大体的模板是这样子的：

不难看出await()、signal()、signally()是wait()、notify()、notifyAll()的进化形态，所以不建议使用监视器。

 

2、生产者消费者实现，使用LinkedList自写缓冲区

         这个模型一直很经典，学操作系统的时候还学过，记得linux还用PV操作去实现它，不过这东西是跨学科的。

考虑缓存区buffer的使用者，生产者和消费者，他们都能识别缓冲区是否满的，且两种各只能发出一种信号：

       生产者：它能发出notEmpty()信号，即缓冲区非空信号，当它看到缓冲区满的时候，它就调用await等待。

       消费者：它能发出notFull()信号，即缓冲区未满的信号，当它看到缓冲区空的时候，它也调用await等待。

看代码：

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

//生产者消费者
public class ConsumerProducer {
	private static Buffer  buffer= new Buffer();
	public static void main(String[] args)
	{
		ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
		executor.execute(new ProducerTask());
		executor.execute(new ConsumerTask());
		executor.shutdown();
	}

	public static class ProducerTask implements Runnable
	{
		@Override
		public void run() {
			int i=1;
			try {
				while(true)
				{
					System.out.println("生产者写入数据"+i);
					buffer.write(i++);
					Thread.sleep((int)(Math.random()*80));

				}
			}catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
			}
		}
	}

	public static class ConsumerTask implements Runnable
	{
		public void run() {
			try {
				while(true){
					System.out.println("\t\t消费读出数据"+buffer.read());
					Thread.sleep((int)(Math.random()*100));
					}
				} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}

	public static class Buffer
	{
		private static final int CAPACTIY = 4;  //缓冲区容量
		private java.util.LinkedList<Integer> queue = new java.util.LinkedList<Integer>();

		private static Lock lock = new ReentrantLock();

		private static Condition  notEmpty = lock.newCondition();
		private static Condition notFull = lock.newCondition();

		public void write(int value)
		{
			lock.lock();
			try{
				while(queue.size()==CAPACTIY)
				{
					System.out.println("缓冲区爆满");
					notFull.await();
				}
				queue.offer(value);
				notEmpty.signalAll();  //通知所有的缓冲区未空的情况
			}catch(InterruptedException ex){
				ex.printStackTrace();
			}finally{
				lock.unlock();
			}
		}

		@SuppressWarnings("finally")
		public int read()
		{
			int value = 0;
			lock.lock();
			try{
				while(queue.isEmpty())
				{
					System.out.println("\t\t缓冲区是空的，等待缓冲区非空的情况");
					notEmpty.await();
				}
				value = queue.remove();
				notFull.signal();
			}catch(InterruptedException ex){
				ex.printStackTrace();
			}finally{
				lock.unlock();
				return value;
			}
		}
	}
}

 

运行截图

程序运行正常，不过稍微延长一下读取时间，就会出现这样的情况

     

        程序里面设置的容量是4，可是这里却可以存入最多5个数据，而且更合理的情况应该是初始缓冲区是空的，后面找了下这个小bug，原来是调用offer()函数应该放在检测语句之前，如果希望一开始就调用ConsumerTask，在main方法里面调换两者的顺序即可。

3、用阻塞队列快速实现生产者消费者模型

        java的强大之处是它有着丰富的类库，我们学习java在某种程度上就是学习这些类库。

 

        阻塞队列是这样的一种队列：当试图向一个满队列里添加元素  或者 从空队列里删除元素时，队列会让线程自动阻塞，且当队列满时，队列会继续存储元素，供唤醒后的线程使用。这应该说是专门为消费者生产者模型而设计的一种队列吧，它实现了Queue接口，主要方法是put()和take()方法。

                                                                        

java支持三个具体的阻塞队列ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、PriorityBlockingQueue。都在java.util.concurrent包中。

      

简单描述上面三个阻塞队列：

          ArrayBlockingQueue： 该阻塞用数组实现，按照FIFO，即先进先出的原则对数据进行排序，和数组的使用有点相似，它事先需要指定一个容量，不过即便队列超出这个容量，也是不会报错滴。

          LinkeddBlockingQueue：用链表实现，默认队列大小是Integer.MAX_VALUE，也是按照先进先出的方法对数据排序，性能可能比ArrayBlockingQueue，有待研究。

          PriorityBlockingQueue:用优先队列实现的阻塞队列，会对元素按照大小进行排序，也可以创建不受限制的队列，put方法永不阻塞。

 

ok,看代码：

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ConsumerProducerUsingBlockQueue {
	private static ArrayBlockingQueue<Integer>  buffer = new ArrayBlockingQueue<Integer>(2);
	public static void main(String[] args)
	{
		ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
		executor.execute(new Consumer());
		executor.execute(new Producer());

		try {
			Thread.sleep(100);
			executor.shutdownNow();     //暴力关闭，会报错，不推荐
		} catch (InterruptedException e) {
			// TODO Auto-generated catch block
			e.printStackTrace();
		}

	}

	public static class Consumer implements Runnable
	{
		@Override
		public void run() {
			try{
				int i=1;
				while(true){
					System.out.println("生成者写入："+i);
					buffer.put(i++);
					Thread.sleep((int)(Math.random())*1000);
				}
			}catch(InterruptedException ex){
				ex.printStackTrace();
			}
		}
	}
	public static class Producer implements Runnable
	{
		@Override
		public void run() {
			try{
				while(true)
				{
					System.out.println("\t\t消费者取出"+buffer.take());
					Thread.sleep((int)(Math.random())*10000);
				}
			}catch(InterruptedException ex){
				ex.printStackTrace();
			}
		}
	}
}

 

运行截图：

        没啥大的问题，就是在关闭线程的时候太过暴力了，会报错，线程里面的每一个函数都似乎值得研究，之前想通过Interrupt暂停，不过失败了，就直接使用线程池执行器的shoutdownNow方法来的。后面自己又用了另外一种关闭线程的方法，见下面代码

 

使用LinkedBlockingQueue实现消费者生产者且使用布尔变量控制线程关闭

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
public class A_Control_stop {
	private static LinkedBlockingQueue<String>  buffer = new LinkedBlockingQueue<String>();

	public static void main(String[] args)
	{
		ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);
		executor.execute(new Consumer());
		executor.execute(new Producer());
		executor.shutdown();

		while(!executor.isTerminated()){}
		System.out.println("所有的的线程都正常结束");
	}

	public static class Consumer implements Runnable
	{
		private volatile boolean exit = false;
		@Override
		public void run() {
			try{
				int i=0;
				String[] str ={"as","d","sd","ew","sdfg","esfr"};
				while(!exit){
					System.out.println("生成者写入："+str[i]);
					buffer.put(str[i++]);
					Thread.sleep((int)(Math.random())*10);
					if(5==i)
					{
						exit=true;
					}
				}
			}catch(InterruptedException ex){
				ex.printStackTrace();
			}
		}
	}
	public static class Producer implements Runnable
	{
		private volatile boolean exit = false;
		@Override
		public void run() {
			try{
				int i=0;
				while(!exit)
				{
					System.out.println("\t\t消费者取出"+buffer.take());
					i++;
					Thread.sleep((int)(Math.random())*10);
					if(5==i)
					{
						exit=true;
					}
				}
			}catch(InterruptedException ex){
				ex.printStackTrace();
			}
		}
	}
}

 

截图

         关于阻塞队列，觉得这篇文章讲的不错，推荐大家看看  聊聊并发----Java中的阻塞队列

        用了几天，多线程算是学了点皮毛，附注一下：这几天文章主要是参考了《java程序语言设计进阶篇第8版》，老外写的书讲的真心不错，只不过现在java都已经更新到java8了。在其他一些网站上看到自己的文章，没有说明转载什么的，估计是直接“被采集”过去了。

        本文出自于博客园兰幽，转载请说明出处。