Java 的 Condition 接口与等待通知机制详解

目录

• 一、引言
• 二、Condition 接口概述
• 2.1 基本概念
• 2.2 与 Object 类等待通知方法的区别
• 三、Condition 接口的常用方法
• 3.1 await () 方法
• 3.2 signal () 方法
• 3.3 signalAll () 方法
• 四、Condition 接口的应用场景
• 4.1 生产者 - 消费者模式
• 4.2 多线程任务协调
• 五、Condition 接口的实现原理
• 六、使用 Condition 接口的注意事项
• 6.1 锁的获取和释放
• 6.2 中断处理
• 6.3 条件判断
• 七、总结

一、引言

在 Java 并发编程里，实现线程间的协作与同步是极为关键的任务。除了使用 Object 类的 wait()、notify() 和 notifyAll() 方法实现简单的等待 - 通知机制外，Java 还提供了 Condition 接口，它与 ReentrantLock 配合使用，能实现更灵活、更精细的线程间通信。本文将深入探究 Condition 接口及其背后的等待通知机制。

二、Condition 接口概述

2.1 基本概念

Condition 接口位于 java.util.concurrent.locks 包中，它提供了类似 Object 类的 wait()、notify() 和 notifyAll() 方法的功能，但 Condition 更为强大和灵活。Condition 实例是通过 Lock 对象的 newCondition() 方法创建的，每个 Lock 对象可以创建多个 Condition 实例，这使得我们可以针对不同的条件进行线程的等待和唤醒操作。

2.2 与 Object 类等待通知方法的区别

• 关联对象不同：Object 类的 wait()、notify() 和 notifyAll() 方法必须在 synchronized 块或方法中使用，它们关联的是对象的内部锁；而 Condition 接口的方法（如 await()、signal() 和 signalAll()）必须与 Lock 对象配合使用，关联的是 Lock 对象。
• 灵活性不同：Condition 可以创建多个等待队列，允许更细粒度的线程控制。例如，一个线程可以等待某个特定的条件，而另一个线程可以唤醒等待该条件的线程，而 Object 类的等待通知方法只能操作一个隐含的等待队列。

三、Condition 接口的常用方法

3.1 await () 方法

await() 方法会使当前线程进入等待状态，直到其他线程调用该 Condition 的 signal() 或 signalAll() 方法，或者当前线程被中断。调用 await() 方法时，当前线程会释放持有的 Lock，在被唤醒后，会重新获取该 Lock。示例代码如下：

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class AwaitExample {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition condition = lock.newCondition();
    public void awaitMethod() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getName() + " is waiting.");
            condition.await()python;
            System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getName() + " is awakened.");
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

3.2 signal () 方法

signal() 方法会唤醒在该 Condition 上等待的单个线程。如果有多个线程在等待，只会唤醒其中一个线程，具体唤醒哪个线程是不确定的。示例代码如下：

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class SignalExample {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition condition = lock.newCondition();
    public void signalMethod() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getName() + " is signaling.");
            condition.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

3.3 signalAll () 方法

signalAll() 方法会唤醒在该 Condition 上等待的所有线程。被唤醒的线程会竞争获取 Lock，获取到 Lock 的线程将继续执行。示例代码如下：

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class SignalAllExample {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition condition = lock.newCondition();
    public void signalAllMethod() {
        lock.lock();
        try {
            System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getName() + " is signaling all.");
 编程客栈           condition.signalAll();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

四、Condition 接口的应用场景

4.1 生产者 - 消费者模式

使用 Condition 接口可以实现更复杂的生产者 - 消费者模式。例如，当缓冲区满时，生产者线程等待；当缓冲区为空时，消费者线程等待。示例代码如下：

import java.util.LinkedList编程客栈;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
class Buffer {
    private final LinkedList<Integer> buffer = new LinkedList<>();
    private static final int MAX_SIZE = 5;
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition notFull = lock.newCondition();
    private final Condition notEmpty = lock.newCondition();
    public void produce(int item) {
        lock.lock();
        try {
            while (buffer.size() == MAX_SIZE) {
                System.out.println("Buffer is full, producer is waiting.");
                notFull.await();
            }
            buffer.add(item);
            System.out.println("Produced: " + item);
            notEmpty.signal();
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    public int consume() {
        lock.lock();
        try {
            while (buffer.size() == 0) {
                System.out.println("Buffer is empty, consumer is waiting.");
                notEmpty.await();
            }
            int item = buffer.removeFirst();
            System.out.println("Consumed: " + item);
            notFull.signal();
            return item;
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
            return -1;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}
public class ProducerConsumerWithCondition {
    public static void main(String[] args) {
        Buffer buffer = new Buffer();
        Thread producer = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                buffer.produce(i);
          编程客栈  }
        });
        Thread consumer = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                buffer.consume();
            }
        });
        producer.start();
        consumer.start();
    }
}

4.2 多线程任务协调

在一些多线程任务中，需要根据不同的条件来协调线程的执行顺序。例如，一个线程需要等待其他几个线程完成特定任务后才能继续执行，这时可以使用 Condition 接口来实现。

五、Condition 接口的实现原理

Condition 接口的实现通常依赖于 AbstractQueuedSynchronizer（AQS）。每个 Condition 实例都有一个与之关联的等待队列，当线程调用 await() 方法时，会将该线程封装成一个节点加入到等待队列中，并释放持有的 Lock。当其他线程调用 signal() 或 signalAll() 方法时，会从等待队列中移除相应的节点，并将其加入到 Lock 的同步队列中，等待获取 Lock。

六、使用 Condition 接口的注意事项

6.1 锁的获取和释放

在调用 Condition 接口的方法之前，必须先获取关联的 Lock，并且在使用完后要确保释放 Lock，通常使用 try - finally 块来保证这一点。

6.2 中断处理

await() 方法会抛出 InterruptedException 异常，因此需要在代码中进行适当的异常处理，以确保线程在被中断时能够正确响应。

6.3 条件判断

在调用 await() 方法时，通常需要使用 while 循环来进行条件判断，而不是 if 语句。这是因为在多线程环境下，线程被唤醒后可能会出现虚假唤醒的情况，使用 while 循环可以确保条件仍然满足。

七、总结

Condition 接口为 Java 并发编程提供了一种强大而灵活的线程间等待通知机制。通过与 ReentrantLock 配合使用，可以实现更复杂、更精细的线程同步和协作。在实际开发中，根据具体的业务需求合理使用 Condition编程客栈 接口，能够提高程序的并发性能和可靠性。同时，需要注意锁的获取和释放、中断处理以及条件判断等问题，以避免出现并发问题。

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