Java中已经有很多自带同步的类,我们今天通过实现一个阻塞队列来理解原理。
最简单的队列实现
现在要实现一个缓存队列,要解决并发安全问题,最直接的实现直接看代码,如下图:
这个类通过一个数组来缓存数据,然后从数组索引0开始put数据,当满了的时候又从0 开始,take方法也从0开始,每次取数组中数据,通过这样循环的向数组中put和take数据,就实现了缓存。但是如果put过快会覆盖之前的数据,导致数据丢失,take太快会获取到null值。
解决数据bug
为了防止数据的丢失,或者获取到不正确的值,我们对上一步代码进行优化,优化代码如下图:
优化后的put和take方法利用原来的方法,并且在调用之前进行验证,如果不能操作就抛出指定异常,这样就能防止数据丢失和获取到异常数据了。优化后这个类就能够使用而不用出问题了,但是对于使用者来说却不方便,比如put方法对于使用者来说如果put失败会一直循环put直到成功,take方法的使用也面临同样的问题。
使用的优化
直接抛出异常让使用者去处理对于使用者来说增加了使用的复杂度,可以对缓存进行再次优化,优化代码如下图:
通过这次优化,这个类使用简单同时也变成了一个阻塞队列类,实现一个同步阻塞队列就这样完成了,似乎很简单,但是这种实现方式还是有缺点,take和put方法都包含一个while循环还有一个sleep操作。while循环会消耗CPU,如果一直等待中就会一直循环浪费CPU,而sleep指定线程休眠时间,如果再刚sleep时实际上就可以进行下一步操作,然后线程还是会休眠到指定时间,并不能及时的响应,要是sleep的时间太短while循环的次数就会很多,而如果sleep太长响应性就太低。
所以这种循环睡眠方法要么浪费CPU,要么就是响应性太低。
通过Object方法实现
Object中有两个方法wait()与notifyAll(),wait方法会阻塞当前线程,并且线程必须拥有当前对象的锁。而notifyAll会唤醒所有正在等待这个对象锁的线程。通过这两个方法实现线程阻塞和及时的唤醒,避免了多次的while循环,并提高了线程的响应性,实现代码如下图:
如果保存数据的数组为空,那么多有的take方法都会阻塞,一旦有一个put方法成功就会唤醒所有的等待线程,所有线程会重新去竞争对象的锁,获取成功的可以继续执行,当执行take方法后如果数组已空,即使是另外一个take线程获取了锁,也会执行判断然后进入阻塞状态。
总结
通过层层优化,最终采用Object的wait()与notifyAll()就实现了一个高响应并且不浪费CPU的阻塞队列,在Java的java.util.concurrent包下很s多并发类的实现思路与这种等待与唤醒方式差不多,在理解了这个实现后,接下来梳理一下java.util.concurrent中几个类就更加清晰明了了。
Java程序员日常学习笔记,如理解有误欢迎各位交流讨论!