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Java并发:线程协作

21.5 多个线程之间如何协作?

前面对线程进行了讨论,但是比较简单,要么是每个线程独享自己线程内部的资源,要么是用锁机制串行访问共享资源。而本小节做了一点点升级:使用共享资源不再是盲目的阻塞了,而是使用新的握手机制,其实握手类似事件驱动。不过我对事件驱动也只是了解个皮毛,知道大概的 select/kqueue/epoll 原理,具体的还请自行 man 或者 google。我简单举个例子吧:

这样一看,我们在前面学习的就是阻塞(synchronized 锁)或者非阻塞忙轮询(使用 while(资源不可用) {sleep…})。这样做不仅效率低,还会大大降低效率,因为对于线程来说,不仅需要保存线程上下文,还要频繁的切换用户态和内核态。而这里解决方法就类似 epoll 那样的回调。

线程协作简单来说就是对共享资源的使用还是阻塞,但是一旦共享资源释放,会主动给阻塞线程发送信号。这样就不用傻傻等待或者不停轮询了。而协作的关键就是如何传递这个信号,在 Java 中我们可以使用 Object 中的 wait()notify()/notifyAll()函数,也可以使用 concurrent 类库中提供的 await()signal()/signalAll()函数。

下面我们就来具体学习线程协作的相关知识。如果先大致浏览这一小节的话,会发现节奏非常紧凑:

  1. 第一小节首先介绍线程协作,以及相关的3个函数: wait()、notify()、notifyAll(),然后用一个凃蜡、喷漆程序演示如何进行线程协作(重点是明白线程为什么可以协作呢?因为 wait()不会一直占有锁,在挂起期间会允许进入其他 synchronized 方法改变条件,从而 notify()后再醒来继续工作)
  2. notify()和 notifyAll()的区别(个人感觉这一节讲的很迷糊,可以自己去 stackoverflow 或者其他地方查资料)
  3. 用厨师做菜、服务员上菜演示生产者消费者模型,其实还包括一个用 Lock 和 Condition 实现的凃蜡、喷漆程序,可以和第一小节再对比一下
  4. 使用同步队列的方式改变第三小节的生产者消费者模型,用一个队列解耦生产者和消费者
  5. 使用管道来进行输入/输出,本质上是生产者消费者模型的变体,不过它是存在于引入 BlockingQueue 之前的 Java 版本,所以能用 BlockingQueue 的地方就可以忘掉管道了

大概了解本节内容之后,就可以进行有的放矢的学习了:)

1. wait()和 notifyAll()的使用

话说被书上这个例子坑的很惨,这个例子前前后后看过10遍左右吧,每次看到这都要纠结很久。这次也是弄了好久才算没那么迷糊。。。。。。(智商急需充值啊。。。)嗯,我先来描述这个“简单”的程序吧:

现在有一辆车,需要对它进行凃蜡和抛光操作。因为存在先后顺序,所以必须先凃蜡,然后在抛光。

场景说完了,show code:

 package concurrency;
 
 import java.util.concurrent.ExecutorService;
 import java.util.concurrent.Executors;
 import java.util.concurrent.TimeUnit;
 
 class Car {
  /*
	  * true 凃蜡<br>
	  * false:抛光
	  */
  private boolean waxOn = false;
 
  // 完成凃蜡,可以进行抛光了
  public synchronized void waxed() {
	  waxOn = true;
	  notifyAll();
  }
 
  // 完成抛光,可以进行下一层凃蜡了
  public synchronized void buffed() {
	  waxOn = false;
	  notifyAll();
  }
 
  // 这里为什么要用 while()不断监测?为什么不用 if()
  public synchronized void waitForWaxing() throws InterruptedException {
	  while (waxOn == false) {
		  wait();
	  }
  }
 
  public synchronized void waitForBuffing() throws InterruptedException {
	  while (waxOn == true) {
		  wait();
	  }
  }
 }
 
 // 凃蜡任务。因为凃蜡肯定先发生,所以步骤为凃蜡-等待抛光-凃蜡
 class WaxOn implements Runnable {
  private Car car;
  public WaxOn(Car c) {
	  this.car = c;
  }
  public void run() {
	  try {
		  while(!Thread.interrupted()) {
			  System.out.println("开始凃蜡...");
			  TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200);
			  car.waxed();
			  car.waitForBuffing();
		  }
		  } catch(InterruptedException e) {
			  System.out.println("Exit via interrupt");
		  }
	  System.out.println("结束凃蜡任务");
  }
 }
 
 // 抛光任务。先行任务为凃蜡,所以步骤为等待凃蜡-抛光-等待凃蜡
 class WaxOff implements Runnable {
  private Car car;
  public WaxOff(Car car) {
	  this.car = car;
  }
  public void run() {
	  try {
		  while(!Thread.interrupted()) {
			  car.waitForWaxing();
			  System.out.println("开始抛光...");
			  TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(200);
			  car.buffed();
		  }
	  } catch(InterruptedException e) {
		  System.out.println("Exit via interupt");
	  }
	  System.out.println("结束抛光任务");
  }
 }
 
 /*
  * 特意先开始抛光任务,再开始凃蜡任务
  */
 public class WaxOMatic {
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
	  Car car = new Car();
	  ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
	  exec.execute(new WaxOff(car));
	  exec.execute(new WaxOn(car));
	  TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
	  exec.shutdownNow();
  }  }

整个程序的逻辑很简单,但是一定要理解 boolean 类型的 waxOn 变量所代表的含义。其实我到现在也没明白。。。。。。。。不过不影响看懂整个程序的逻辑:

  1. 首先定义一个车,waxed()代表凃蜡完成,buffed()代表抛光完成。waitForWaxing()等待凃蜡,如果 waxOn = false 就说明还在抛光;waitForBuffing()等待抛光,如果 waxOn = true 就说明还在凃蜡。(但是waxOn 究竟代表完成,还是进行中呢?如果代表完成,那么 waitForWaxing()的 waxOn = false 就代表抛光完成,可以进行凃蜡了。明明可以工作了好吗!!!竟然是 wait()。正好和我理解的相反;如果理解成进行中,那么 waxed()中又立即调用了 notifyAll(),明显是完成了凃蜡的意思。)
  2. WaxOn 就是凃蜡了,因为这个肯定是起始动作。所以 run()中先进行凃蜡,然后等待抛光
  3. WaxOff 就是抛光了,因为它肯定在凃蜡操作后执行,所以 run()中先等凃蜡完成后才能进行抛光操作,抛光完成后就再等待下一次凃蜡完成。
  4. main()为了突出这个逻辑,特意先调用了抛光过程,这个希望你能注意到(感觉作者对每个例子都好用心的T_T)

一定要多看看其中是如何使用 wait()和 nofityAll(),如果能提出问题就更好了。一个非常值得思考的问题是:为什么 wait()要使用 while()去监测,既然 notifyAll()发送了资源可用的信号,那么 wait()收到这个消息,用 if()就足够了呀。这是为什么呢?原因如下:

因此,总结一下上面的要点:

其本质就是要检查所感兴趣的特定条件,并在条件不满足的情况下返回到 wait()中。惯用的方法就是使用 while 来编写 wait()的代码。而且 wait()有两种使用,一种是指定到期时间,一种是无限等待。一般情况下我们都会使用无限等待,因为条件很多情况下是无法得知改变的大概时间的。 然后还有一个有趣的问题:wait()/notify()/notifyAll()既然都是关于线程协作方面的,为什么它们是在基类 Object 中实现而不是 Thread 中实现呢?

尽管乍一想有点奇怪,但是我们来分析一下。锁存在于所有对象的对象头中,所以任何同步控制的地方都用到了锁,而用到锁的地方当然也可以进行线程协作。如果把这3个方法实现在 Thread 中,那么使用线程协作的范围就会缩小到继承了 Thread 或者实现了 Runnable 接口的类的对象中,而不是所有对象。实际上,也只能在同步控制块中调用 wait()、notify()、notifyAll(),因为它们都和锁关联,而 sleep()因为不用操作锁,所以可以在非同步控制方法中调用,如果在非同步控制方法中调用了这3个方法,程序能够通过编译,不过在运行的时候,将得到 IllegalMonitorStateException 异常,并伴随着一些含糊的信息,比如“当前线程不是拥有者”。消息的意思是,调用 wait()、notify()、notifyAll()的任务在调用这些方法前必须“拥有”(获取)对象的锁。

2. 虽然使用了 notifyAll(),但是信号一定能被 wait()收到吗?——错失的信号

当线程使用 wait()/notify()或者 wait()/notifyAll()时,均可能发生错失信号的问题。想想这是什么原因呢?比如下面这段代码你能看出问题吗?

 T1:
  synchronized(sharedMonitor) {
	  <setup condition for T2>
	  shareMonitor.notify();
  }
 
 T2:
  while(someCondition) {
	  //Point 1
	  synchronized(sharedMonitor) {
		  sharedMonitor.wait();
	  }
  }

两个线程 T1和 T2的协作正确吗?如果不正确,会发生什么问题呢?

其实代码中已经有了提示,在 Point 1处可能会发生错误。假如 T2执行到 Point 1的时候,说明someCondition 为 true,而这时线程调度器将时间片分给 T1,T1检查 sharedMonitor 对象锁没有占用,就拿到锁进入到同步控制块中,改变T2 线程的 while 条件,然后发送一个信号。但是因为 T2已经执行过 someCondition 的判断,所以就错失了 notify()的通知,在同步控制块中 wait()导致死锁(一直等待)。

那么,解决办法是防止在 someCondition 上产生变量竞争条件。不竞争不就是串行的意思嘛,所以 T2的代码将 while()放在同步控制块中即可:

 synchronized(sharedMonitor) {
	   while(someCondition) {
		   sharedMonitor.wait();
	   }
   }

3. notify() VS notifyAll()

如果仔细观察上面的程序,会发现我们一会用 notifyAll()一会用 notify(),那么它们各自的使用场景是什么?

其实从名字可以猜个大概,notify()是对于单个线程来说的,notifyAll()是对于所有线程而言的。举个例子,现在大家都在教室自习,有个家长来找自己的孩子,那么 notify()就是去那个家长的孩子座位上单独告诉他,notifyAll()就是在班里大吼一声某某的家长在外面,让所有学生都知道,然后某某出去,其他孩子继续干自己的事情。

实际上,notify()和 notifyAll()的区别还是非常值得研究的,stackoverflow 上也有这个问题的讨论:Java: notify() vs. notifyAll() all over again

notify()和notifyAll()都是Object对象用于通知处在等待该对象的线程的方法。两者的最大区别在于:

notifyAll使所有原来在该对象上等待被notify的线程统统退出wait的状态,变成等待该对象上的锁,一旦该对象被解锁,他们就会去竞争。 notify则文明得多他只是选择一个wait状态线程进行通知,并使它获得该对象上的锁,但不惊动其他同样在等待被该对象notify的线程们,当第一个线程运行完毕以后释放对象上的锁此时如果该对象没有再次使用notify语句,则即便该对象已经空闲,其他wait状态等待的线程由于没有得到该对象的通知,继续处在wait状态,直到这个对象发出一个notify或notifyAll,它们等待的是被notify或notifyAll,而不是锁。

4. 生产者与消费者

 package concurrency;
 
 import java.util.concurrent.ExecutorService;
 import java.util.concurrent.Executors;
 import java.util.concurrent.TimeUnit;
 
 class Meal {
	 private final int orderNum;
 
	 public Meal(int orderNum) {
		 this.orderNum = orderNum;
	 }
 
	 public String toString() {
		 return "Meal " + orderNum;
	 }
 }
 
 class Waiter implements Runnable {
 
	 private Restaurant restaurant;
 
	 public Waiter(Restaurant restaurant) {
		 this.restaurant = restaurant;
	 }
 
	 @Override
	 public void run() {
		 try {
			 while (!Thread.interrupted()) {
				 synchronized (this) {
					 while (restaurant.meal == null) {
						 wait();
					 }
				 }
				 System.out.println("Waiter got " + restaurant.meal);
				 // 为什么要选择 chef 作为同步控制块的锁呢?
				 // 废话,想通知 chef,肯定要调用 chef.notifyAll()。因为 notifyAll()必须在
				 // 同步控制块中调用,而且释放的是 chef 的锁,肯定需要先获取 chef 的锁了。。。
				 synchronized (restaurant.chef) {
					 restaurant.meal = null;
					 restaurant.chef.notifyAll(); // 准备下一道菜
				 }
			 }
		 } catch (InterruptedException e) {
			 System.out.println("Waiter interrupted");
		 }
	 }
 }
 
 class Chef implements Runnable {
 
	 private Restaurant restaurant;
	 private int count = 0;
 
	 public Chef(Restaurant restaurant) {
		 this.restaurant = restaurant;
	 }
 
	 @Override
	 public void run() {
		 try {
			 while (!Thread.interrupted()) {
				 synchronized (this) {
					 while (restaurant.meal != null) {
						 wait();
					 }
				 }
 
				 if (++count == 11) {
					 System.out.println("菜上齐了");
					 //这块只是向 chef  waiter 发送一个 interrupt 信号
					 //但是因为 synchronized  IO 是不能被中断的,所以这里会通过可中断的
					 //sleep()抛出 InterruptedException
					 // waiter 只能通过 while(Thread.interrupted())抛出的 InterruptedException返回
					 
					 //而且我们会发现,多做了一个菜!本来做了10个就够了。11个本意想关闭程序,但是因为
					 //synchronized 无法中断,只好又做了一个菜(厨师也饿了)。但是因为服务员在 wait(),可以被中断
					 //所以做好的菜没有被服务员上去。。。。
					 restaurant.exec.shutdownNow();
				 }
 
				 System.out.print("做菜ing...");
				 synchronized (restaurant.waiter) {
					 restaurant.meal = new Meal(count);
					 restaurant.waiter.notifyAll();
				 }
 
				 TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
			 }
		 } catch (InterruptedException e) {
			 System.out.println("chef interrupted");
		 }
	 }
 }
 
 public class Restaurant {
	 Meal meal;
	 ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
	 Waiter waiter = new Waiter(this);
	 Chef chef = new Chef(this);
 
	 public Restaurant() {
		 exec.execute(chef);
		 exec.execute(waiter);
	 }
 
	 public static void main(String[] args) {
		 new Restaurant();
	 }
 }/*output:
 做菜ing...Waiter got Meal 1
 做菜ing...Waiter got Meal 2
 做菜ing...Waiter got Meal 3
 做菜ing...Waiter got Meal 4
 做菜ing...Waiter got Meal 5
 做菜ing...Waiter got Meal 6
 做菜ing...Waiter got Meal 7
 做菜ing...Waiter got Meal 8
 做菜ing...Waiter got Meal 9
 做菜ing...Waiter got Meal 10
 菜上齐了
 Waiter interrupted
 做菜ing...chef interrupted
 */

这个程序的输出会发现,最后一道菜已经做了,但是没有上。写完迷糊了好久才想起来,synchronized 不可被中断,但是 wait()可以被中断啊(同时中断状态被清除,抛出一个 InterruptedException)!!!!

5. 生产者-消费者与队列

上面是生产者消费者模型的最基本实现——厨师做完一道菜后通知服务员取菜,服务员取菜之后通知厨师做菜。这样的做法太低效,因为每次交互都需要握手。在更高效的程序中,可以使用同步队列来解决任务协作问题,同步队列在任何时刻都只允许一个任务插入或移除元素。在 java.util.concurrent.BlockingQueue 接口中提供了这种队列,这个接口有大量的标准实现。通常可以使用 LinkedBlockingQueue,它是一个无界队列,还可以使用 ArrayBlockingQueue,它又固定的大小,因此可以在它被阻塞之前向其中放置有限数量的元素。

并且,使用同步队列可以简化上面繁琐的握手方式。如果消费者任务试图从队列中获取元素,而该队列为空,那么这些队列还可以挂起消费者任务,当有更多的元素可用时,又会恢复消费者任务。阻塞队列可以解决非常大量的问题,而方式与 wait()和 notifyAll()相比,则简单可靠的多。

下面我们写一个简单的程序说明一下 BlockingQueue 的使用方法,以及它带来的便利。

 package concurrency;
 
 import java.io.BufferedReader;
 import java.io.IOException;
 import java.io.InputStreamReader;
 import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
 import java.util.concurrent.BlockingQueue;
 import java.util.concurrent.LinkedBlockingDeque;
 import java.util.concurrent.SynchronousQueue;
 
 class LiftOffRunner implements Runnable {
	 private BlockingQueue<LiftOff> rockets;
 
	 public LiftOffRunner(BlockingQueue<LiftOff> rockets) {
		 this.rockets = rockets;
	 }
 
	 //生产者
	 public void add(LiftOff lo) {
		 try {
			 rockets.put(lo);
		 } catch(InterruptedException e) {
			 System.out.println("Interrupted during put()");
		 }
	 }
	 
	 //消费者——注意后面的程序先启动了消费者。
	 public void run() {
		 try {
			 while(!Thread.interrupted()) {
				 LiftOff rocket = rockets.take();
				 rocket.run();
			 }
		 } catch(InterruptedException e) {
			 System.out.println("waking from take()");
		 }
		 System.out.println("Exiting LiftOffRunner");
	 }
 }
 
 public class TestBlockingQueues {
	 /*
	  * 其实getkey()仅仅是为了隔开 BlockingQueue 的不同实现类。
	  */
	 static void getkey() {
		 try {
			 new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in)).readLine();
		 } catch(IOException e) {
			 throw new RuntimeException(e);
		 }
	 }
	 
	 static void getkey(String message) {
		 System.out.println(message);
		 getkey();
	 }
	 
	 /*
	  * 每次测试一种 BlockingQueue 的实现。其中先调用t.start()是为了启动消费者。
	  * 因为没有启动生产者,所以 BlockingQueue 会自动挂起。然后使用 for 循环生产 rockets 的元素。
	  * 
	  * 所以不仅实例了 BlockingQueue 作为一个 Queue 的使用,也演示了当生产者或者消费者阻塞时,BlockingQueue
	  * 会自动帮我们处理,使我们可以专注于业务逻辑。
	  */
	 static void test(String msg, BlockingQueue<LiftOff> queue) {
		 System.out.println(msg);
		 LiftOffRunner runner = new LiftOffRunner(queue);
		 Thread t = new Thread(runner);
		 t.start();
		 for(int i = 0; i < 5; i++) {
			 runner.add(new LiftOff(5));
		 }
		 getkey("Press 'Enter' (" + msg + ")");
		 t.interrupt();
		 System.out.println("Finished " + msg + " test");
	 }
	 
	 public static void main(String[] args) {
		 test("LinkedBlockingQueue", new LinkedBlockingDeque<LiftOff>());
		 test("ArrayBlockingQueue", new ArrayBlockingQueue<LiftOff>(3));
		 test("SynchronousQueue", new SynchronousQueue<LiftOff>());
	 }
 }

程序的输出需要 System.in,所以自己去运行。运行之后,你的任务是再写一个程序。将厨师、服务员的例子改写成使用 BlockingQueue 的。我也来一发:

 package concurrency;
 
 import java.util.concurrent.ExecutorService;
 import java.util.concurrent.Executors;
 import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
 import java.util.concurrent.TimeUnit;
 
 
 /*
  * 这个例子的一个收获是:
  * 
  * 想要抛出异常必须得有载体。比如:
  * 
  * while(!Thread.interrupted()) {
  * }
  * 
  * 是不会抛出异常的。
  * 
  * 只有当里面有 sleep()/wait()/join()在运行(让线程处于阻塞状态),然后才能从阻塞状态退出,
  * 并抛出一个 InterruptedException
  * 
  */
 
 class NewMeal {
	 private final int orderNum;
 
	 public NewMeal(int orderNum) {
		 this.orderNum = orderNum;
	 }
 
	 public String toString() {
		 return "Meal " + orderNum;
	 }
 }
 
 class NewWaiter implements Runnable {
	 private RestaurantWithBlockingQueue restaurant;
 
	 public NewWaiter(RestaurantWithBlockingQueue restaurant) {
		 this.restaurant = restaurant;
	 }
 
	 @Override
	 public void run() {
		 try {
			 while (!Thread.interrupted()) {
				 while (!restaurant.meal.isEmpty()) {
					 NewMeal meal = restaurant.meal.take();
					 System.out.println("Waiter got " + meal);
				 }
			 }
		 } catch (InterruptedException e) {
			 System.out.println("Interrupted waiter");
		 }
	 }
 }
 
 class NewChef implements Runnable {
	 private RestaurantWithBlockingQueue restaurant;
 
	 public NewChef(RestaurantWithBlockingQueue restaurant) {
		 this.restaurant = restaurant;
	 }
 
	 @Override
	 public void run() {
		 try {
			 while (!Thread.interrupted()) {
				 for (int i = 1; i <= 11; i++) {
 
					 if (i == 11) {
						 restaurant.exec.shutdownNow();
						 continue;
					 }
 
					 System.out.println("做菜...");
					 restaurant.meal.add(new NewMeal(i));
					 TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
				 }
			 }
		 } catch (InterruptedException e) {
			 System.out.println("Interrupted chef");
		 }
	 }
 }
 
 public class RestaurantWithBlockingQueue {
	 LinkedBlockingQueue<NewMeal> meal = new LinkedBlockingQueue<NewMeal>();
	 ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
	 NewWaiter waiter = new NewWaiter(this);
	 NewChef chef = new NewChef(this);
 
	 public RestaurantWithBlockingQueue() {
		 exec.execute(waiter);
		 exec.execute(chef);
 
	 }
 
	 public static void main(String[] args) {
 //        while(!Thread.interrupted()) {
 //            System.out.println("ehl");
 //        }
		 new RestaurantWithBlockingQueue();
	 }
 }/*output:
 做菜...
 Waiter got Meal 1
 做菜...
 Waiter got Meal 2
 做菜...
 Waiter got Meal 3
 做菜...
 Waiter got Meal 4
 做菜...
 Waiter got Meal 5
 做菜...
 Waiter got Meal 6
 做菜...
 Waiter got Meal 7
 做菜...
 Waiter got Meal 8
 做菜...
 Waiter got Meal 9
 做菜...
 Waiter got Meal 10
 */

通过这个程序得出的结论是:

  1. 如果线程没有被阻塞,调用 interrupt()将不起作用;若线程处于阻塞状态,就将得到异常(该线程必须事先预备好处理此状况),接着退出阻塞状态。
  2. 线程 A 在执行 sleep(),wait(),join()时,线程 B 调用 A 的 interrupt 方法,A会 catch 一个 InterruptedException异常.但这其实是在 sleep,wait,join 这些方法内部不断检查中断状态的值后抛出的 InterruptedException。
  3. 如果线程 A 正在执行一些指定的操作时,如赋值、for、while等,线程本身是不会去检查中断状态标志的,所以线程 A 自身不会抛出 InterruptedException 而是一直执行自己的操作。
  4. 当线程 A 终于执行到 wait(),sleep(),join()时,这些方法本身会抛出 InterruptedException
  5. 若没有调用 sleep(),wait(),join()这些方法,或是没有在线程里自己检查中断状态并抛出 InterruptedException 的话,那么上游是无法感知这个异常的(还记得异常不能跨线程传递吗?)

然后书上还有一个使用 BlockingQueue 的例子,非常简单。本质来说,BlockingQueue 可以当成是一个任务队列,它会自动的搞定同步操作,所以在处理生产者消费者模型时,可以作为首选。当然,使用具体哪种 BlockingQueue 就需要自己选择了。

 package concurrency;
 
 import java.util.Random;
 import java.util.concurrent.ExecutorService;
 import java.util.concurrent.Executors;
 import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
 import java.util.concurrent.TimeUnit;
 
 class Toast {
	 public enum Status {
		 DRY, BUTTERED, JAMMED
	 };
 
	 private Status status = Status.DRY;
	 private final int id;
 
	 public Toast(int id) {
		 this.id = id;
	 }
 
	 public void butter() {
		 status = Status.BUTTERED;
	 }
 
	 public void jam() {
		 status = Status.JAMMED;
	 }
 
	 public Status getStatus() {
		 return status;
	 }
 
	 public int getId() {
		 return id;
	 }
 
	 public String toString() {
		 return "Toast " + id + ": " + status;
	 }
 
 }
 
 /*
  * ToastQueue 充当别名的作用。就好像 typedef
  *
  */
 class ToastQueue extends LinkedBlockingQueue<Toast> {
	 
 }
 
 //制造吐司
 class Toaster implements Runnable {
	 
	 private ToastQueue toastQueue;
	 private int count = 0;
	 private Random rand = new Random(47);
	 public Toaster(ToastQueue toastQueue) {
		 this.toastQueue = toastQueue;
	 }
	 
	 @Override
	 public void run() {
		 try {
			 while(!Thread.interrupted()) {
				 TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100 + rand.nextInt(500));
				 Toast toast = new Toast(count++);
				 System.out.println(toast);
				 toastQueue.add(toast);
			 }
		 } catch(InterruptedException e) {
			 System.out.println("制造吐司 is interrupted!");
		 }
		 System.out.println("Toaster off");
	 }
 }
 
 //抹黄油
 class Butterer implements Runnable {
	 
	 private ToastQueue dryQueue, butteredQueue;
	 public Butterer(ToastQueue dryQueue, ToastQueue butteredQueue) {
		 this.dryQueue = dryQueue;
		 this.butteredQueue = butteredQueue;
	 }
	 
	 @Override
	 public void run() {
		 try {
			 while(!Thread.interrupted()) {
				 Toast toast = dryQueue.take();
				 toast.butter();
				 System.out.println(toast);
				 butteredQueue.put(toast);
			 }
		 } catch(InterruptedException e) {
			 System.out.println("抹黄油 is interrupted!");
		 }
		 System.out.println("Butterer off");
	 }
 }
 
 //抹果酱
 class Jammer implements Runnable {
	 
	 private ToastQueue butteredQueue, finishedQueue;
	 public Jammer(ToastQueue butteredQueue, ToastQueue finishedQueue) {
		 this.butteredQueue = butteredQueue;
		 this.finishedQueue = finishedQueue;
	 }
	 
	 @Override
	 public void run() {
		 try {
			 while(!Thread.interrupted()) {
				 Toast toast = butteredQueue.take();
				 toast.jam();
				 System.out.println(toast);
				 finishedQueue.put(toast);
			 }
		 } catch(InterruptedException e) {
			 System.out.println("抹果酱 is interrupted!");
		 }
		 System.out.println("Jammer off");
	 }
 }
 
 //吃吃吃
 class Eater implements Runnable {
	 
	 private ToastQueue finishedQueue;
	 private int count = 0;
	 public Eater(ToastQueue finishedQueue) {
		 this.finishedQueue = finishedQueue;
	 }
	 
	 @Override
	 public void run() {
		 try {
			 while(!Thread.interrupted()) {
				 Toast toast = finishedQueue.take();
				 //检查吐司是否按照 order 送来,而且所有都是经过黄油、果酱加工
				 if(toast.getId() != count++ || toast.getStatus() != Toast.Status.JAMMED) {
					 System.err.println("Error: " + toast);
					 System.exit(1);
				 } else {
					 System.out.println("真好吃啊!!!");
				 }
				 
			 }
		 } catch(InterruptedException e) {
			 System.out.println("吃吃吃 is interrupted!");
		 }
		 System.out.println("Eater off");
	 }
 }
 
 public class ToastMatic {
	 public static void main(String[] args) throws Exception {
		 ToastQueue dryQueue = new ToastQueue(),
		 	butteredQueue = new ToastQueue(),
		 	finishedQueue = new ToastQueue();
		 ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
		 exec.execute(new Toaster(dryQueue));
		 exec.execute(new Butterer(dryQueue, butteredQueue));
		 exec.execute(new Jammer(butteredQueue, finishedQueue));
		 exec.execute(new Eater(finishedQueue));
		 
		 TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
		 exec.shutdownNow();
	 }
 }

这个程序虽然简单,但是有几个亮点值得关注:

6. 任务间使用管道进行输入/输出

首先需要声明:

这个模型可以看成是生产者-消费者问题的变体,这里的管道就是一个封装好的解决方案。管道基本上是一个阻塞队列,存在于多个引入 BlockingQueue 之前的 Java 版本中。意思很明显,有了 BlockingQueue 之后还是用 BlockingQueue 吧。目测公司的 jdk 都是1.6+吧,所以这个小节基本就是有个印象就好,重点还是掌握 BlockingQueue。

下面这个程序虽然简单,但是最好自己多调试。看看 PipedReader 和 PipedWriter 能不能中断,是 IOException 还是 InterruptedException(其实是java.io.InterruptedIOException)。

 package concurrency;
 
 import java.io.IOException;
 import java.io.PipedReader;
 import java.io.PipedWriter;
 import java.util.Random;
 import java.util.concurrent.ExecutorService;
 import java.util.concurrent.Executors;
 import java.util.concurrent.TimeUnit;
 
 /*
  * PipedWriter.write() PipedReader.read() 都可以中断,这是和普通 IO 之间最重要的区别了。
  */
 class Sender implements Runnable {
	 private Random rand = new Random(47);
	 private PipedWriter out = new PipedWriter();
 
	 public PipedWriter getPipedWriter() {
		 return out;
	 }
 
	 @Override
	 public void run() {
		 try {
			 //while (true) {
				 for(Integer i = 0; i < 10000000; i++) {
					 out.write(i);
					 //TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(rand.nextInt(500));
				 }
			 //}
		 } catch (IOException e) {
			 System.out.println(e + " Sender write exception");
		 }
 //        } catch (InterruptedException e) {
 //            System.out.println(e + " Sender sleep interrupted");
 //        }
	 }
 }
 
 class Receiver implements Runnable {
	 private PipedReader in;
 
	 //必须和一个 PipedWriter 相关联
	 public Receiver(Sender sender) throws IOException {
		 in = new PipedReader(sender.getPipedWriter());
	 }
 
	 @Override
	 public void run() {
		 try {
			 while (true) {
				 //调用 P ipedReader.read(),如果管道没有数据会自动阻塞
				 System.out.print("Read: " + (char) in.read() + ", ");
			 }
		 } catch (IOException e) {
			 System.out.println(e + " Receiver read exception");
		 }
	 }
 }
 
 public class PipedIO {
	 public static void main(String[] args) throws Exception {
		 Sender sender = new Sender();
		 Receiver receiver = new Receiver(sender);
		 ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();
		 exec.execute(sender);
		 exec.execute(receiver);
 
		 TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
		 exec.shutdownNow();
	 }
 }

开头就说了,现在 PipedWriter 和 PipedReader 已经被 BlockingQueue 取代,所以了解即可。记住一点,PipedWriter 和 PipedReader 是可以被中断的。

补充:wait、notify、notifyAll

使用wait方法和使用synchornized来分配cpu时间是有本质区别的。wait会释放锁,synchornized不释放锁。 还有:(wait/notify/notifyAll)只能在取得对象锁的时候才能调用。

调用notifyAll通知所有线程继续执行,只能有一个线程执行,其余的线程在等待(因为在所有线程被唤醒的时候在synchornized块中)。这时的等待和调用notifyAll前的等待是不一样的。

notify和notifyAll都是把某个对象上休息区内的线程唤醒,notify只能唤醒一个,但究竟是哪一个不能确定,而notifyAll则唤醒这个对象上的休息室中所有的线程.

一般有为了安全性,我们在绝对多数时候应该使用notifyAll(),除非你明确知道只唤醒其中的一个线程.

至于有些书上说“notify:唤醒同一对象监视器中调用wait的第一个线程”我认为是没有根据的因为sun公司是这样说的“The choice is arbitrary and occurs at the discretion of the implementation.”

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