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【Java 基础篇】Java Condition 接口详解

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Java 提供了一种更灵活和高级的线程协作机制,通过 Condition 接口的使用,你可以更精细地控制线程的等待和唤醒,实现更复杂的线程同步和通信。本文将详细介绍 Java 的 Condition 接口,包括它的基本概念、常见用法以及注意事项。

什么是 Condition 接口?

在 Java 多线程编程中,通常使用 wait()notify() 方法来实现线程之间的等待和唤醒操作。但这两个方法有一些局限性,例如,只能在 synchronized 块内调用,而且每个对象只有一个等待队列。Condition 接口的引入弥补了这些不足,它提供了更灵活的线程协作方式。

Condition 接口是 Java 核心库中 java.util.concurrent.locks 包下的一部分,它通常与 ReentrantLock 一起使用。ReentrantLock 是一种可重入锁,与传统的 synchronized 关键字相比,提供了更多的控制和功能。通过 Condition 接口,你可以为每个 ReentrantLock 创建多个条件(Condition),每个条件可以控制一组线程的等待和唤醒。

Condition 接口的主要方法

Condition 接口定义了一些重要的方法,用于线程的等待和唤醒:

  • await():使当前线程等待,并释放锁,直到其他线程调用相同条件上的 signal()signalAll() 方法来唤醒它。
  • awaitUninterruptibly():与 await() 类似,但不响应中断。
  • signal():唤醒一个在该条件上等待的线程。如果有多个线程在等待,只会唤醒其中一个,具体唤醒哪个线程不确定。
  • signalAll():唤醒所有在该条件上等待的线程。

Condition 的基本用法

创建 Condition

要使用 Condition 接口,首先需要创建一个与 ReentrantLock 关联的条件对象。通常,一个 ReentrantLock 对象可以创建多个条件对象,用于不同的线程协作。

ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();

等待和唤醒线程

在使用 Condition 进行线程协作时,通常遵循以下模式:

等待线程
lock.lock(); // 获取锁
try {while (条件不满足) {condition.await(); // 释放锁,并等待条件满足}// 执行线程任务
} finally {lock.unlock(); // 释放锁
}
唤醒线程
lock.lock(); // 获取锁
try {// 修改条件,使等待线程可以继续执行condition.signal(); // 唤醒一个等待线程// 或者使用 condition.signalAll() 唤醒所有等待线程
} finally {lock.unlock(); // 释放锁
}

示例:生产者和消费者问题

让我们通过一个简单的生产者和消费者问题来演示 Condition 的使用。在这个问题中,有一个有界缓冲区,生产者线程将数据放入缓冲区,而消费者线程将数据从缓冲区取出。

首先,我们创建一个有界缓冲区的类:

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class BoundedBuffer<T> {private Queue<T> buffer = new LinkedList<>();private int capacity;private Lock lock = new ReentrantLock();private Condition notFull = lock.newCondition();private Condition notEmpty = lock.newCondition();public BoundedBuffer(int capacity) {this.capacity = capacity;}public void put(T item) throws InterruptedException {lock.lock();try {while (buffer.size() == capacity) {notFull.await();}buffer.offer(item);notEmpty.signal();} finally {lock.unlock();}}public T take() throws InterruptedException {lock.lock();try {while (buffer.isEmpty()) {notEmpty.await();}T item = buffer.poll();notFull.signal();return item;} finally {lock.unlock();}}
}

在这个示例中,我们使用了 ReentrantLock 来保护缓冲区的操作,并分别创建了两个条件 notFullnotEmpty,用于控制缓冲区的状态。

接下来,我们可以创建生产者和消费者线程,它们分别向缓冲区放入数据和取出数据:

public class ProducerConsumerExample {public static void main(String[] args) {BoundedBuffer<Integer> buffer = new BoundedBuffer<>(10);Thread producerThread = new Thread(() -> {try {for (int i = 0; i < 100; i++) {buffer.put(i);System.out.println("Produced: " + i);}} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}});Thread consumerThread = new Thread(() -> {try {for (int i = 0; i < 100; i++) {int item = buffer.take();System.out.println("Consumed: " + item);}} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}});producerThread.start();consumerThread.start();}
}

在这个示例中,生产者线程不断地向缓冲区放入数据,而消费者线程不断地从缓冲区取出数据,它们通过 await()signal() 方法进行线程协作。

注意事项

在使用 Condition 接口时,需要注意以下几点:

  1. 必须在获取锁之后才能调用 await()signal()signalAll() 方法,否则会抛出 IllegalMonitorStateException 异常。

  2. 调用 await() 方法后,当前线程将释放锁,允许其他线程获取锁并执行。当线程被唤醒后,它将重新尝试获取锁,然后从 await() 方法返回。

  3. signal() 方法只能唤醒一个等待线程,如果有多个线程在等待,具体唤醒哪一个是不确定的。如果需要唤醒所有等待线程,可以使用 signalAll() 方法。

  4. 在等待时,通常需要将 await() 方法包装在一个循环中,以防止虚假唤醒。

  5. 使用 Condition 接口时,要特别小心死锁和竞态条件等多线程问题,确保线程协作的正确性和安全性。

总结

Condition 接口提供了一种更灵活和高级的线程协作机制,可以用于实现复杂的线程同步和通信。通过创建多个条件对象,你可以更精细地控制线程的等待和唤醒。但在使用时需要小心处理锁和条件的关系,以确保线程协作的正确性和可靠性。希望本文对你理解和应用 Condition 接口有所帮助,提高多线程编程的技能。

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