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：

public class LockTest {
    public static void main(String[] args) {
        final Outputter1 output = new Outputter1();
        new Thread() {
            public void run() {
                output.output("zhangsan");
            };
        }.start();
        new Thread() {
            public void run() {
                output.output("lisi");
            };
        }.start();
    }
}
class Outputter1 {
    private Lock lock = new ReentrantLock();// 锁对象
    public void output(String name) {
        // TODO 线程输出方法
        lock.lock();// 得到锁
        try {
            for(int i = 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：

public class ReadWriteLockTest {
    public static void main(String[] args) {
        final Data data = new Data();
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    for (int j = 0; j < 5; j++) {
                        data.set(new Random().nextInt(30));
                    }
                }
            }).start();
        }
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    for (int j = 0; j < 5; j++) {
                        data.get();
                    }
                }
            }).start();
        }
    }
}
class Data {
    private int data;// 共享数据
    public void set(int data) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "准备写入数据");
        try {
            Thread.sleep(20);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        this.data = data;
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "写入" + this.data);
    }
    public void get() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "准备读取数据");
        try {
            Thread.sleep(20);
        } catch (InterruptedException e) {
            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：

public synchronized void set(int data) {...}
public synchronized void get() {...}

        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：

class Data {
    private int data;// 共享数据
    private ReadWriteLock rwl = new ReentrantReadWriteLock();
    public void set(int data) {
        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 (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            this.data = data;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "写入" + this.data);
        } finally {
            rwl.writeLock().unlock();// 释放写锁
        }
    }
    public void get() {
        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 (InterruptedException e) {
                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：

public class ThreadTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        final Business business = new Business();
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                threadExecute(business, "sub");
            }
        }).start();
        threadExecute(business, "main");
    }
    public static void threadExecute(Business business, String threadType) {
        for(int i = 0; i < 100; i++) {
            try {
                if("main".equals(threadType)) {
                    business.main(i);
                } else {
                    business.sub(i);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
class Business {
    private boolean bool = true;
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition condition = lock.newCondition();
    public /*synchronized*/ void main(int loop) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while(bool) {
                condition.await();//this.wait();
            }
            for(int i = 0; i < 100; i++) {
                System.out.println("main thread seq of " + i + ", loop of " + loop);
            }
            bool = true;
            condition.signal();//this.notify();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public /*synchronized*/ void sub(int loop) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while(!bool) {
                condition.await();//this.wait();
            }
            for(int i = 0; i < 10; i++) {
                System.out.println("sub thread seq of " + i + ", loop of " + 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。

class BoundedBuffer {
   final Lock lock = new ReentrantLock();//锁对象
   final Condition notFull  = lock.newCondition();//写线程条件
   final Condition notEmpty = lock.newCondition();//读线程条件

   final Object[] items = new Object[100];//缓存队列
   int putptr/*写索引*/, takeptr/*读索引*/, count/*队列中存在的数据个数*/;

   public void put(Object x) throws InterruptedException {
     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();
     }
   }

   public Object take() throws InterruptedException {
     lock.lock();
     try {
       while (count == 0)//如果队列为空
         notEmpty.await();//阻塞读线程
       Object x = 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
       return x;
     } 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。