Lock锁以及解决生产者消费者的方案

一、死锁

• 多个线程各自占有一些共享资源，并且相互等待其他线程占有的资源才能运行，而导致两个或者多个线程都在等待对方释放资源，都停止执行的情形。某一个同步块同时拥有“两个以上对象的锁”时，就可能会发生“死锁”的问题。

• 产生死锁的四个必要条件：

  • 互斥条件：一个资源每次只能被一个进程使用

  • 请求与保持条件：一个进程因请求资源而阻塞时，对已获得的资源保持不放

  • 不剥夺条件：进程已获得的资源，在未使用完之前，不能强行剥夺

  • 循环等待条件：若干进程之间形成一种头尾相接的循环等待资源关系

上面列出了死锁的四个必要条件，我们只要想办法破其中的任意一个或者多个条件就可以避免死锁发生

//死锁：多个线程互相抱着对方需要的资源，然后形成僵持
public class DeadLock {
    public static void main(String[] args) {
        MakeUp g1 = new MakeUp(0, "灰姑凉");
        MakeUp g2 = new MakeUp(1, "卢大爷");
        g1.start();
        g2.start();
    }
}
​
//口红
class Lipstick{}
​
​
​
//镜子
class Mirror{}
​
​
class MakeUp extends Thread{
    //需要的资源只有一份,用static来保证只有一份
    static Lipstick lipstick = new Lipstick();
    static Mirror mirror = new Mirror();
​
    int choice;//选择
​
    String girlName; //使用化妆品的人
​
​
    public MakeUp(int choice,String girlName){
        this.choice=choice;
        this.girlName=girlName;
    }
​
    @Override
    public void run() {
        //化妆
        try {
            makeUp();
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
​
    //化妆，互相持有对方的锁，就是需要拿到对方的资源
    private void makeUp() throws InterruptedException {
        if(choice==0){
            synchronized (lipstick){//获得口红的锁
                System.out.println(this.girlName+"获得口红的锁");
                Thread.sleep(1000);
                synchronized (mirror){//一秒钟后想获得镜子
                    System.out.println(this.girlName+"获得镜子的锁");
                }
            }
        }else{
            synchronized (mirror){//获得镜子的锁
                System.out.println(this.girlName+"获得镜子的锁");
                Thread.sleep(1000);
                synchronized (lipstick){//一秒钟后想获得口红
                    System.out.println(this.girlName+"获得口红的锁");
                }
            }
        }
​
    }
}

解决方案：只需要不让它们互相抱着对方的锁就可以了

    private void makeUp() throws InterruptedException {
        if(choice==0){
            synchronized (lipstick){//获得口红的锁
                System.out.println(this.girlName+"获得口红的锁");
                Thread.sleep(1000);
​
            }
            synchronized (mirror){//一秒钟后想获得镜子
                System.out.println(this.girlName+"获得镜子的锁");
            }
        }else{
            synchronized (mirror){//获得镜子的锁
                System.out.println(this.girlName+"获得镜子的锁");
                Thread.sleep(1000);
​
            }
            synchronized (lipstick){//一秒钟后想获得口红
                System.out.println(this.girlName+"获得口红的锁");
            }
        }
​
    }

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二、Lock锁

• 从JDK5.0开始，Java提供了更强大的线程同步机制——通过显式定义同步锁对象来实现同步。同步锁使用Lock对象充当

• java.util.concurrent.locks.Lock 接口是控制多个线程对共享资源进行访问的工具。锁提供了对共享资源的独占访问，每次只能有一个线程对Lock对象加锁，线程开始访问共享资源之前应先获得Lock对象

• ReentranLock类实现了Lock，它拥有与synchronized相同的并发性和内存语义，在实现线程安全的控制中，比较常用的是ReentranLock，可以显式加锁、释放锁。（可重入锁）

//测试Lock锁
public class TestLock {
    public static void main(String[] args) {
        TestLock2 testLock2 = new TestLock2();
​
        new Thread(testLock2).start();
        new Thread(testLock2).start();
        new Thread(testLock2).start();
    }
}
​
class TestLock2 implements Runnable{
    int ticketNums = 10;
​
​
    //定义Lock锁
   private ReentrantLock reentrantLock= new ReentrantLock();
​
    @Override
    public void run() {
        while (true){
            try{
                reentrantLock.lock();//加锁
                if(ticketNums>0){
                    try {
                        Thread.sleep(1000);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                    System.out.println(ticketNums--);
                }else{
                    break;
                }
            }finally{
                //解锁
                reentrantLock.unlock();
            }
        }
    }
}

• Synchronized与Lock的对比

  • Lock是显式锁（手动开启和关闭锁，别忘记关闭锁）synchronized是隐式锁，出了作用域自动释放

  • Lock只有代码块锁，synchronized有代码块锁和方法锁

  • 使用Lock锁，JVM将花费较少的时间来调度线程，性能更好，并且具有更好的扩展性（提供更多的子类）

  • 优先使用顺序：

    • Lcok>同步代码块(已经进入了方法体，分配了相应资源)>同步方法(在方法体之外)

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三、消费者生产者问题

• 线程通信(应用场景：生产者和消费者问题)

  • 假设仓库中只能存放一件产品，生产者将生产出来的产品放入仓库，消费者将仓库中产品取走消费

  • 如果仓库中没有产品，则生产者将产品放入仓库，否则停止生产并等待，直到仓库中的产品被消费者取走为止

  • 如果仓库中放有产品，则消费者可以将产品取走消费，否则停止消费并等待，直到仓库中再次放入产品为止

• 线程通信分析

  这是一个线程同步问题，生产者和消费者共享同一个资源，并且生产者和消费者之间相互依赖，互为条件。

  • 对于生产者，没有生产产品之前，要通知消费者等待。而生产了产品之后，又需要马上通知消费者消费

  • 对于消费者，在消费之后，要通知生产者已经结束消费，需要生产新的产品以供消费

  • 在生产者消费者问题中，仅有synchronized是不够的

    • synchronized可组织并发更新同一个共享资源，实现了同步

    • synchronized不能用来实现不同线程之间的消息传递(通信)

• Java提供了几个方法解决线程之间的通信问题

  • wait() 表示线程一直等待，直到其他线程通知，与sleep不同，会释放锁

  • wait(long timeout) 指定等待的毫秒数

  • notify() 唤醒一个处于等待状态的线程

  • notifyAll() 唤醒同一个对象上所有调用wait()方法的线程，优先级别高的线程优先调度

• 注意：均是Object类的方法，都只能在同步方法或者同步代码块中使用，否则会抛出异常IllegalMonitorStateException

• 解决方式1：

  并发协作模型"生产者/消费者模式" --->管程法

  • 生产者：负责生产数据的模块(可能是方法，对象，进程，线程)

  • 消费者：负责处理数据的模块(可能是方法，对象，线程，进程)

  • 缓冲区：消费者不能直接使用生产者的数据，他们之间有个"缓冲区" 生产者将生产好的数据放入缓冲区，消费者从缓冲区拿出数据

//测试：生产者消费者模型 -->利用缓冲区解决：管程法
//生产者，消费者，产品，缓冲区
public class TestPC {
    public static void main(String[] args) {
        SynContainer container = new SynContainer();
​
        new Productor(container).start();
        new Consumer(container).start();
    }
}
​
//生产者
class Productor extends Thread{
    SynContainer container;
    public Productor(SynContainer container){
        this.container =container;
    }
​
    //生产
​
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            container.push(new Chicken(i));
            System.out.println("生产了"+i+"只鸡");
        }
    }
}
​
//消费者
class Consumer extends Thread{
    SynContainer container;
    public Consumer(SynContainer container){
        this.container =container;
    }
​
    //消费
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println("消费了-->"+container.pop().id+"只鸡");
        }
    }
}
​
//产品
class Chicken{
    int id;//产品编号
​
    public Chicken(int id) {
        this.id = id;
    }
}
​
​
//缓冲区
class SynContainer{
    //需要一个容器大小
    Chicken[] chickens = new Chicken[10];
​
    //容器计数器
    int count = 0;
​
    //生产者放入产品
    public synchronized void push(Chicken chicken){
        //如果容器满了，就需要等待消费者消费
        if(count ==chickens.length){
            //通知消费者消费，生产者等待
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
​
        //如果没有满，我们就需要丢入产品
        chickens[count] =chicken;
        count++;
​
        //可以通知消费者消费了
        this.notifyAll();
    }
​
    //消费者消费产品
    public synchronized Chicken pop(){
        //判断能否消费
        if(count==0){
            //等待生产者生产，消费者等待
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
​
        //如果可以消费
        count--;
        Chicken chicken = chickens[count];
​
        //吃完了，通知生产者生产
        this.notifyAll();
        return chicken;
    }
}

• 解决方式2：

  并发协作模型"生产者/消费者模式" --->信号灯法

//测试生产者消费者问题2:信号灯法，标志位解决
public class TestPC2 {
    public static void main(String[] args) {
        TV tv = new TV();
        new Player(tv).start();
        new Watcher(tv).start();
    }
}
​
​
//生产者 -->演员
class Player extends Thread{
    TV tv;
    public Player(TV tv){
        this.tv=tv;
    }
​
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            if(i%2 ==0){
                this.tv.play("快乐大本营播放中");
            }else{
                this.tv.play("抖音：记录美好生活");
            }
        }
    }
}
//消费者 -->观众
class Watcher extends Thread{
    TV tv;
    public Watcher(TV tv){
        this.tv=tv;
    }
​
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
           tv.watch();
        }
    }
}
​
//产品 -->节目
​
class TV{
    //演员表演，观众等待
    //观众观看，演员等待
    String voice;//表演的节目
    boolean flag =true;
​
    //表演
    public synchronized void play(String voice){
        if(!flag){
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
        System.out.println("演员表演了："+voice);
        //通知观众观看
        this.notifyAll();//通知唤醒
        this.voice=voice;
        this.flag=!flag;
    }
​
    //观看
    public synchronized void watch(){
        if(flag){
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
        System.out.println("观看了："+voice);
        //通知演员表演
        this.notifyAll();
        this.flag=!this.flag;
    }
​
}

---

四、线程池

• 背景：经常创建和销毁、使用量特别大的资源，比如并发情况下的线程，对性能影响很大

• 思路：提前创建好多个线程，放入线程池中，使用时直接获取，使用完放回池中。可以避免频繁创建销毁、实现重复利用。类似生活中的公共交通工具

• 好处

  • 提高响应速度(减少了创建新线程的时间)

  • 降低资源消耗(重复利用线程池中线程，不需要每次都创建)

  • 便于线程管理(....)

    • corePoolSize：核心池的大小

    • maximumPoolSize：最大线程数

    • keepAliveTime：线程没有任务时最多保持多长时间后会终止

• JDK5.0起提供了线程池相关API:ExecutorService和Executors

• ExecutorService：真正的线程池接口。常见子类ThreadPoolExecutor

  • void execute(Runnable command)：执行任务/命令，没有返回值，一般用来执行Runnable

  • Future submit(Callable task): 执行任务，有返回值，一般用来执行Callable

  • void shutdown()：关闭连接池

• Executors：工具类、线程池的工厂类，用于创建并返回不同类型的线程池

//测试线程池
public class TestPool {
    public static void main(String[] args) {
        //1.创建服务，创建线程池
        //参数为线程池大小
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);
​
        //执行
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
        service.execute(new MyThread());
​
        //2.关闭连接
        service.shutdown();
    }
}
​
class MyThread implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+i);
    }
}