鎖機(jī)制之 Condition 接口

1. 前言

本節(jié)內(nèi)容主要是對(duì) Java 鎖機(jī)制之 Condition 接口進(jìn)行講解，Condition 接口是配合 Lock 接口使用的，我們已經(jīng)學(xué)習(xí)過 Lock 接口的相關(guān)知識(shí)，那么接下來對(duì) Condition 接口進(jìn)行講解。本節(jié)內(nèi)容的知識(shí)點(diǎn)如下：

• Condition 接口簡(jiǎn)介，這是我們認(rèn)識(shí) Condition 接口的基礎(chǔ)；
• Condition 接口定義，整體上先了解 Condition 接口所包含的方法，為基礎(chǔ)內(nèi)容；
• Condition 接口所提供的方法與 Object 所提供的方法的區(qū)別與聯(lián)系，此部分為本節(jié)的重點(diǎn)之一；
• Condition 對(duì)象的創(chuàng)建方式，這是開始使用 Condition 的前提，需要牢記；
• Condition 接口的常用方法使用，這是本節(jié)課程的核心內(nèi)容，掌握 Condition 接口使用方式，也是我們本節(jié)課程的最終目的所在；
• 使用 ReentrantLock 與 Condition 接口，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者與消費(fèi)者模式。

2. Condition 接口簡(jiǎn)介

任意一個(gè) Java 對(duì)象，都擁有一組監(jiān)視器方法（定義在 java.lang.Object 上），主要包括 wait ()、wait (long timeout)、notify () 以及 notifyAll () 方法。這些方法與 synchronized 同步關(guān)鍵字配合，可以實(shí)現(xiàn)等待 / 通知模式。

定義：Condition 接口也提供了類似 Object 的監(jiān)視器方法，與 Lock 配合可以實(shí)現(xiàn)等待 / 通知模式。Condition 可以看做是 Obejct 類的 wait ()、notify ()、notifyAll () 方法的替代品，與 Lock 配合使用。

3. Condition 接口定義

我們看到，從 JDK 的源碼中可以獲悉，Condition 接口包含了如下的方法，對(duì)于其中常用的方法，我們?cè)诤罄m(xù)的內(nèi)容中會(huì)有比較詳細(xì)的講解。

public interface Condition {
    void await() throws InterruptedException;
    long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException; 
    boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
    void signal();
    void signalAll();
}

4. Condition 方法與 Object 方法的聯(lián)系與區(qū)別

聯(lián)系 1：都有一組類似的方法.

• Object 對(duì)象監(jiān)視器: Object.wait()、Object.wait(long timeout)、Object.notify()、Object.notifyAll()。
• Condition 對(duì)象: Condition.await()、Condition.awaitNanos(long nanosTimeout)、Condition.signal()、Condition.signalAll()。

聯(lián)系 2：都需要和鎖進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

• Object 對(duì)象監(jiān)視器: 需要進(jìn)入 synchronized 語句塊（進(jìn)入對(duì)象監(jiān)視器）才能調(diào)用對(duì)象監(jiān)視器的方法。
• Condition 對(duì)象: 需要和一個(gè) Lock 綁定。

區(qū)別：

• Condition 拓展的語義方法，如 awaitUninterruptibly () 等待時(shí)忽略中斷方法；
• 在使用方法時(shí)，Object 對(duì)象監(jiān)視器是進(jìn)入 synchronized 語句塊（進(jìn)入對(duì)象監(jiān)視器）后調(diào)用 Object.wait ()。而 Condition 對(duì)象需要和一個(gè) Lock 綁定，并顯示的調(diào)用 lock () 獲取鎖，然后調(diào)用 Condition.await ()；
• 從等待隊(duì)列數(shù)量看，Object 對(duì)象監(jiān)視器是 1 個(gè)。而 Condition 對(duì)象是多個(gè)?？梢酝ㄟ^多次調(diào)用 lock.newCondition () 返回多個(gè)等待隊(duì)列。

5. Condition 對(duì)象的創(chuàng)建

Condition 對(duì)象是由 Lock 對(duì)象創(chuàng)建出來的 (Lock.newCondition)，換句話說，Condition 是依賴 Lock 對(duì)象的。那么我們來看看如果創(chuàng)建 Condition 對(duì)象。

此處僅提供示例代碼，后續(xù)我們?cè)谶M(jìn)行方法講解時(shí)，會(huì)有全部的代碼示例，但在學(xué)習(xí)使用方法之前，我們必須先學(xué)會(huì)如何創(chuàng)建。

Lock lock = new ReentrantLock();
Condition condition1 = lock.newCondition();
Condition condition2 = lock.newCondition();

6. Condition 方法介紹

等待機(jī)制方法簡(jiǎn)介：

• void await() throws InterruptedException：當(dāng)前線程進(jìn)入等待狀態(tài)，直到被其它線程的喚醒繼續(xù)執(zhí)行或被中斷；
• void awaitUninterruptibly()：當(dāng)前線程進(jìn)入等待狀態(tài)，直到被其它線程被喚醒；
• long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException：當(dāng)前線程進(jìn)入等待狀態(tài)，直到被其他線程喚醒或被中斷，或者指定的等待時(shí)間結(jié)束；nanosTimeout 為超時(shí)時(shí)間，返回值 = 超時(shí)時(shí)間 - 實(shí)際消耗時(shí)間；
• boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException：當(dāng)前線程進(jìn)入等待狀態(tài)，直到被其他線程喚醒或被中斷，或者指定的等待時(shí)間結(jié)束；與上個(gè)方法區(qū)別：可以自己設(shè)置時(shí)間單位，未超時(shí)被喚醒返回 true，超時(shí)則返回 false；
• boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException：當(dāng)前線程等待狀態(tài)，直到被其他線程喚醒或被中斷，或者指定的截止時(shí)間結(jié)束，截止時(shí)間結(jié)束前被喚醒，返回 true，否則返回 false。

通知機(jī)制方法簡(jiǎn)介：

• void signal()：?jiǎn)拘岩粋€(gè)線程；
• void signalAll()：?jiǎn)拘阉芯€程。

7. ReentrantLock 與 Condition 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者與消費(fèi)者

非常熟悉的場(chǎng)景設(shè)計(jì)，這是我們?cè)谥v解生產(chǎn)者與消費(fèi)者模型時(shí)使用的案例設(shè)計(jì)，那么此處有細(xì)微的修改如下，請(qǐng)學(xué)習(xí)者進(jìn)行比照學(xué)習(xí)，印象更加深刻。

場(chǎng)景修改：

• 創(chuàng)建一個(gè)工廠類 ProductFactory，該類包含兩個(gè)方法，produce 生產(chǎn)方法和 consume 消費(fèi)方法（未改變）；
• 對(duì)于 produce 方法，當(dāng)沒有庫存或者庫存達(dá)到 10 時(shí)，停止生產(chǎn)。為了更便于觀察結(jié)果，每生產(chǎn)一個(gè)產(chǎn)品，sleep 3000 毫秒（5000 變 3000，調(diào)用地址也改變了，具體看代碼）；
• 對(duì)于 consume 方法，只要有庫存就進(jìn)行消費(fèi)。為了更便于觀察結(jié)果，每消費(fèi)一個(gè)產(chǎn)品，sleep 5000 毫秒（sleep 調(diào)用地址改變了，具體看代碼）；
• 庫存使用 LinkedList 進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，此時(shí) LinkedList 即共享數(shù)據(jù)內(nèi)存（未改變）；
• 創(chuàng)建一個(gè) Producer 生產(chǎn)者類，用于調(diào)用 ProductFactory 的 produce 方法。生產(chǎn)過程中，要對(duì)每個(gè)產(chǎn)品從 0 開始進(jìn)行編號(hào) (新增 sleep 3000ms)；
• 創(chuàng)建一個(gè) Consumer 消費(fèi)者類，用于調(diào)用 ProductFactory 的 consume 方法 (新增 sleep 5000ms)；
• 創(chuàng)建一個(gè)測(cè)試類，main 函數(shù)中創(chuàng)建 2 個(gè)生產(chǎn)者和 3 個(gè)消費(fèi)者，運(yùn)行程序進(jìn)行結(jié)果觀察（未改變）。

實(shí)例：

public class DemoTest {
        public static void main(String[] args) {
            ProductFactory productFactory = new ProductFactory();
            new Thread(new Producer(productFactory),"1號(hào)生產(chǎn)者"). start();
            new Thread(new Producer(productFactory),"2號(hào)生產(chǎn)者"). start();
            new Thread(new Consumer(productFactory),"1號(hào)消費(fèi)者"). start();
            new Thread(new Consumer(productFactory),"2號(hào)消費(fèi)者"). start();
            new Thread(new Consumer(productFactory),"3號(hào)消費(fèi)者"). start();
        }
}

class ProductFactory {
    private LinkedList<String> products; //根據(jù)需求定義庫存，用 LinkedList 實(shí)現(xiàn)
    private int capacity = 10; // 根據(jù)需求：定義最大庫存 10
    private Lock lock = new ReentrantLock(false);
    private Condition p = lock.newCondition();
    private Condition c = lock.newCondition();
    public ProductFactory() {
        products = new LinkedList<String>();
    }
    // 根據(jù)需求：produce 方法創(chuàng)建
    public void produce(String product) {
        try {
            lock.lock();
            while (capacity == products.size()) { //根據(jù)需求：如果達(dá)到 10 庫存，停止生產(chǎn)
                try {
                    System.out.println("警告：線程("+Thread.currentThread().getName() + ")準(zhǔn)備生產(chǎn)產(chǎn)品，但產(chǎn)品池已滿");
                    p.await(); // 庫存達(dá)到 10 ，生產(chǎn)線程進(jìn)入 wait 狀態(tài)
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            products.add(product); //如果沒有到 10 庫存，進(jìn)行產(chǎn)品添加
            System.out.println("線程("+Thread.currentThread().getName() + ")生產(chǎn)了一件產(chǎn)品:" + product+";當(dāng)前剩余商品"+products.size()+"個(gè)");
            c.signalAll(); //生產(chǎn)了產(chǎn)品，通知消費(fèi)者線程從 wait 狀態(tài)喚醒，進(jìn)行消費(fèi)
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    // 根據(jù)需求：consume 方法創(chuàng)建
    public String consume() {
        try {
            lock.lock();
            while (products.size()==0) { //根據(jù)需求：沒有庫存消費(fèi)者進(jìn)入wait狀態(tài)
                try {
                    System.out.println("警告：線程("+Thread.currentThread().getName() + ")準(zhǔn)備消費(fèi)產(chǎn)品，但當(dāng)前沒有產(chǎn)品");
                    c.await(); //庫存為 0 ，無法消費(fèi)，進(jìn)入 wait ，等待生產(chǎn)者線程喚醒
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            String product = products.remove(0) ; //如果有庫存則消費(fèi)，并移除消費(fèi)掉的產(chǎn)品
            System.out.println("線程("+Thread.currentThread().getName() + ")消費(fèi)了一件產(chǎn)品:" + product+";當(dāng)前剩余商品"+products.size()+"個(gè)");
            p.signalAll();// 通知生產(chǎn)者繼續(xù)生產(chǎn)
            return product;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

class Producer implements Runnable {
    private ProductFactory productFactory; //關(guān)聯(lián)工廠類，調(diào)用 produce 方法
    public Producer(ProductFactory productFactory) {
        this.productFactory = productFactory;
    }
    public void run() {
        int i = 0 ; // 根據(jù)需求，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行編號(hào)
        while (true) {
            productFactory.produce(String.valueOf(i)); //根據(jù)需求 ，調(diào)用 productFactory 的 produce 方法
            try {
                Thread.sleep(3000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            i++;
        }
    }
}
class Consumer implements Runnable {
    private ProductFactory productFactory;
    public Consumer(ProductFactory productFactory) {
        this.productFactory = productFactory;
    }
    public void run() {
        while (true) {
            productFactory.consume();
            try {
                Thread.sleep(5000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

結(jié)果驗(yàn)證：

線程(1號(hào)生產(chǎn)者)生產(chǎn)了一件產(chǎn)品:0;當(dāng)前剩余商品1個(gè)
線程(2號(hào)生產(chǎn)者)生產(chǎn)了一件產(chǎn)品:0;當(dāng)前剩余商品2個(gè)
線程(1號(hào)消費(fèi)者)消費(fèi)了一件產(chǎn)品:0;當(dāng)前剩余商品1個(gè)
線程(2號(hào)消費(fèi)者)消費(fèi)了一件產(chǎn)品:0;當(dāng)前剩余商品0個(gè)
警告：線程(3號(hào)消費(fèi)者)準(zhǔn)備消費(fèi)產(chǎn)品，但當(dāng)前沒有產(chǎn)品
線程(2號(hào)生產(chǎn)者)生產(chǎn)了一件產(chǎn)品:1;當(dāng)前剩余商品1個(gè)
線程(1號(hào)生產(chǎn)者)生產(chǎn)了一件產(chǎn)品:1;當(dāng)前剩余商品2個(gè)
線程(3號(hào)消費(fèi)者)消費(fèi)了一件產(chǎn)品:1;當(dāng)前剩余商品1個(gè)
線程(2號(hào)消費(fèi)者)消費(fèi)了一件產(chǎn)品:1;當(dāng)前剩余商品0個(gè)
警告：線程(1號(hào)消費(fèi)者)準(zhǔn)備消費(fèi)產(chǎn)品，但當(dāng)前沒有產(chǎn)品

8. 小結(jié)

本節(jié)內(nèi)容為主要對(duì) Condition 接口進(jìn)行了講解，Condition 接口作為 Lock 接口的監(jiān)視器，是非常重要的接口，我們需要非常重視 Condition 接口的學(xué)習(xí)。

本節(jié)內(nèi)容最終的目的是使用 Condition 接口和 Lock 配合實(shí)現(xiàn)案例，核心內(nèi)容即為 Condition 接口的使用，請(qǐng)翻看生產(chǎn)者與消費(fèi)者一節(jié)，對(duì)比進(jìn)行學(xué)習(xí)。