使用JUC并发工具包的Lock和Condition,实现生产者和消费者问题中的有界缓存

JDK5.0之前，用java实现生产者和消费者的唯一方式就是使用synchronized内置锁和wait/notify条件通知机制。JDK5.0之后提供了显示锁Lock和条件队列Condition，与内置锁和内置条件队列相对应，但是显示的锁和条件队列，功能更强大，更灵活。此外JDK5.0之后还提供了大量很有用的并发工具类，如BlockingQueue等，基于这些数据结构，能够方便、快速、高效的构建自己应用需要的效果。这里我们简单使用下显示锁和条件队列，来模拟有界缓存的实现，功能类似于JDK内置的阻塞队列BlockingQueue。

 

生产者和消费者问题，这里不再介绍了，网上有很多资料。这里提一个概念：条件谓词。条件谓词就是使某个依赖状态的操作能够成功的前提条件。对于有界缓存来说，只有当缓存不为空，消费者才能get数据，否则消费者必须等待；只有当缓存未满，生产者才能put数据，否者生产者必须等待。对于生产者线程来说，它的条件谓词是"缓存未满"；对于消费者来说，它的条件谓词是"缓存非空"。为什么要提到条件谓词呢？因为如果我们找到了所有的条件谓词，才能够清楚线程之间的关系和依赖，才能实现正确的等待和唤醒。《java并发编程实践》一书14.2节很好地阐了锁、条件队列、条件谓词这3者之间的联系。

 

首先我们使用最原始的synchronized和wait/notify机制，实现生产者和消费者问题中的有界缓存，代码如下：

package waitnotify;import java.util.ArrayList;import java.util.List;public class InSideLock{// 保护共享数据的锁private Object lockObj = new Object();// 缓冲池private List<String> pools = null;// 最大容量private int CAPACITY = 0;public InSideLock(int capacity){this.pools = new ArrayList<String>(capacity);this.CAPACITY = capacity;}public void put(String e) throws InterruptedException{synchronized (lockObj){while (pools.size() == CAPACITY){// 调用wait,必须要持有锁,而且必须在while循环中测试条件lockObj.wait();}pools.add(e);lockObj.notifyAll();}}public String get() throws InterruptedException{synchronized (lockObj){while (pools.size() == 0){lockObj.wait();}String value = pools.remove(0);lockObj.notifyAll();return value;}}}

使用显示锁和条件队列代码如下：

package waitnotify;import java.util.ArrayList;import java.util.List;import java.util.concurrent.locks.Condition;import java.util.concurrent.locks.Lock;import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class VisibleLock{// 保护共享数据的锁private Lock mainLock = new ReentrantLock();// 消费者等待的非空谓词private Condition notEmpty = mainLock.newCondition();// 生产者等待的非满谓词private Condition notFull = mainLock.newCondition();private List<String> pools = null;private int CAPACITY = 0;public VisibleLock(int capacity){this.pools = new ArrayList<String>(capacity);this.CAPACITY = capacity;}public void put(String e) throws InterruptedException{mainLock.lock();try{while (pools.size() == CAPACITY){notFull.await();}pools.add(e);// 使用条件队列的显示API,特别注意这里不能使用notifynotEmpty.signalAll();} finally{mainLock.unlock();}}public String get() throws InterruptedException{mainLock.lock();try{while (pools.size() == 0){notEmpty.await();}                        String result = pools.remove(0);notFull.signalAll();return result;} finally{mainLock.unlock();}}}

下面是测试生产者和消费者的代码：

package waitnotify;public class Test{public static void main(String[] args) throws Exception{final InSideLock pc = new InSideLock(10);Thread t1 = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run(){while (true){try{System.out.println("get=" + pc.get());} catch (InterruptedException e){}}}});Thread t2 = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run(){while (true){try{long time = System.currentTimeMillis();System.out.println("put=" + time);pc.put(time + "");} catch (InterruptedException e){}}}});t1.start();t2.start();}}

可以发现使用内置锁和内置条件队列，与使用显示锁和显示条件队列代码几乎是一样的。