被“三个线程循环打印”吊打后的深入研究报告（下篇）

uzong2024-10-18 8:01

书接上篇：juejin.cn/post/742655... （建议先读）

三、如何才能实现设想

🧐 对于按照线程均分思想，如何才能实现了？那就看看 ReentrantLock 吧

ReentrantLock： 可以创建多个Condition对象，每个Condition对象可以绑定一个或多个线程，实现对不同线程的精确控制，用于实现线程间的条件等待和唤醒

ReentrantLock、Condition 完全切合我的想法。 那么用 ReentrantLock 实现看看。

Java 复制代码 
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ReentrantLockPrint {
    static volatile int state = 1;
    // 所有同步逻辑需要放在 lock.lock ~~lock.unlock 之间。类似于 Synchronized 
    static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    // 每个线程绑定一个条件
    static Condition conditionA = lock.newCondition();
    static Condition conditionB = lock.newCondition();
    static Condition conditionC = lock.newCondition();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread threadA = new Thread(() -> {
            for (; ; ) {
                lock.lock();
                try {
                    while (state != 1) {
                        try {
                            // 标配，如果不符合则 await()
                            conditionA.await();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            throw new RuntimeException(e);
                        }
                    }
                    System.out.println("A");
                    state = 2;
                    // 唤醒线程 B
                    conditionB.signal();
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        }, "A");

        Thread threadB = new Thread(() -> {

            for (; ; ) {
                lock.lock();
                try {
                    while (state != 2) {
                        try {
                            conditionB.await();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            throw new RuntimeException(e);
                        }
                    }
                    System.out.println("B");
                    state = 3;
                    // 唤醒线程 C
                    conditionC.signal();
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }

        }, "B");

        Thread threadC = new Thread(() -> {
            for (; ; ) {
                lock.lock();
                try {
                    while (state != 3) {
                        try {
                            conditionC.await();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            throw new RuntimeException(e);
                        }
                    }
                    System.out.println("C");
                    state = 1;
                    // 唤醒线程 C
                    conditionA.signal();
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }

        }, "A");

        threadA.start();
        threadB.start();
        threadC.start();

        threadA.join();
        threadB.join();
        threadC.join();
    }

}

通过上面的方式，实现了构想。接下来看看性能使用情况：

  • CPU 使用率大约 10%
  • 线程运行时间下降到平均值

从结果看是不错的。 当线程不打印时，停止运行，需要时被唤醒执行打印，那么 ReentrantLock 是如何实现这个能力的呢？

3.2 ReentrantLock 原理是什么

ReentrantLock 实现了 Lock 接口获取锁与释放锁的相关方法，定义了同步器 Sync。

Sync继承了AbstractQueuedSynchronizer，是 AQS 的具体实现。

Sync有两个子类：NonfairSync（非公平锁同步器）与FairSync（公平锁同步器）。

NonfairSync与FairSync重写了lock方法与tryAcquire方法。

ReentrantLock 借助了 AQS 的能力（AQS 被使用得太多，后续会单独章节讲解），从而实现了上面功能。

当我再一次看线程的状态流转时，还有一组 API 可能也适合需求，那就是 LockSupport 类中的接口。

Java 复制代码 
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

public class LockSupportPrint {
    // 定义三个常量。 通过  LockSupport.unpark() 唤醒不同的线程从而实现循环
    public static Thread threadA, threadB, threadC;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        threadA = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (; ; ) {
                    // 这里的代码和 B、C 有一点点差异
                    // System.out.println("-----------");
                    System.out.println("A");
                    // 唤醒 B 线程
                    LockSupport.unpark(threadB);
                    LockSupport.park();

                }
            }
        }, "A");

        threadB = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (; ; ) {
                    // 当前线程等待，直到被唤醒
                    LockSupport.park();
                    System.out.println("B");
                    // 唤醒线程 C
                    LockSupport.unpark(threadC);
                }
            }
        }, "B");

        threadC = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (; ; ) {
                    // 当前线程等待，直到被唤醒
                    LockSupport.park();

                    System.out.println("C");
                    // 唤醒线程 A
                    LockSupport.unpark(threadA);
                }

            }
        }, "C");

        threadA.start();
        threadB.start();
        threadC.start();

        // main 等 ABC 线程执行结束
        threadA.join();
        threadB.join();
        threadC.join();
    }
}

LockSupport 使用 private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE 能力实现线程挂起和唤醒。

LockSupport 代码是最好理解的，逻辑清晰易懂，是不错的方式。看看性能消耗情况：

  • CPU 使用下降，约 10%
  • 线程运行时间下降了，33.3% 以下

显然 LockSupport 是一个很好的方案！

到这里我发现了一个规律：如果在当前线程中能让其线程阻塞，那么循环打印 ABC 是一件理论上可行的事情！

带着猜想，看了一下并发包中的一些工具类，于是发现了一些有趣的代码

四、阻塞等待规律探究落地

按照阻塞等待的思路，来实现代码。

先前写了《闲谈一下 Semaphore》和 《闲谈一下 CountDownLatch》，那么用 semaphore 、countDownLatch 试试看。

4.1 Semaphore （信号量）

关键 api：acquire() 如果不能获取，则等待

代码实现：

  • 定义三个 Semaphore， 每个线程绑定一个
  • 每个线程通过 acquire() 方法等待
  • 通过上一个线程 调用 release() 释放许可，让本线程获取执行机会。
  • 初始化 Semaphore 为 0，都等待； 在 main 线程 semaphoreA.release()， 使用线程开始运行
Java 复制代码 
import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphorePrint {

    static Semaphore semaphoreA = new Semaphore(0);
    static Semaphore semaphoreB = new Semaphore(0);
    static Semaphore semaphoreC = new Semaphore(0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread threadA = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                for (; ; ) {
                    try {
                        // 阻塞等待，知道获取许可
                        semaphoreA.acquire();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                    System.out.println("A");
                    // 让线程B 获得许可
                    semaphoreB.release();
                }
            }
        }, "A");

        Thread threadB = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                for (; ; ) {
                    try {
                        // 阻塞等待，知道获取许可
                        semaphoreB.acquire();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                    System.out.println("B");
                    // 让线程C 获得许可
                    semaphoreC.release();
                }
            }
        }, "B");

        Thread threadC = new Thread(new Runnable() {
            public void run() {
                for (; ; ) {
                    try {
                        // 阻塞等待，知道获取许可
                        semaphoreC.acquire();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                    System.out.println("C");
                    // 让线程A 获得许可
                    semaphoreA.release();
                }
            }
        }, "C");

        // 启动
        semaphoreA.release();

        threadA.start();
        threadB.start();
        threadC.start();

        threadA.join();
        threadB.join();
        threadC.join();
    }
}

分析 cpu 使用情况、以及 running 使用时间

性能消耗：

  • CPU 使用下降，约 10%
  • 线程运行时间下降了，33.3% 以下

验证结果，发现效果还是不错。接下来看看 CountDownLatch

Java 复制代码 
import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class CountDownLatchPrint {

    // 通过三个 CountDownLatch 来控制打印
    static CountDownLatch countDownLatchA = new CountDownLatch(1);
    static CountDownLatch countDownLatchB = new CountDownLatch(1);
    static CountDownLatch countDownLatchC = new CountDownLatch(1);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread threadA = new Thread(() -> {
            for (; ; ) {
                try {
                    // 等待
                    countDownLatchA.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                // 重置 countDownLatchA
                countDownLatchA = new CountDownLatch(1);

                // System.out.println("-----------");
                System.out.println("A");

                countDownLatchB.countDown();
            }
        }, "A");


        Thread threadB = new Thread(() -> {
            for (; ; ) {
                try {
                    // 等待
                    countDownLatchB.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                // 重置 countDownLatchB
                countDownLatchB = new CountDownLatch(1);

                System.out.println("B");

                countDownLatchC.countDown();
            }
        }, "B");


        Thread threadC = new Thread(() -> {
            for (; ; ) {
                try {
                    // 等待
                    countDownLatchC.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                // 重置 countDownLatchC
                countDownLatchC = new CountDownLatch(1);

                System.out.println("C");

                countDownLatchA.countDown();
            }
        }, "C");

        threadA.start();
        threadB.start();
        threadC.start();

        // 启动打印
        countDownLatchA.countDown();

        threadA.join();
        threadB.join();
        threadC.join();

    }
}

分析性能消耗：

  • cpu 使用率低
  • 线程运行时间低

唯一不足：就是需要反复创建新的 countDownLatch 对象

4.3 CyclicBarrier

CyclicBarrier 和 CountDownLatch 很相似。 CyclicBarrier 当计数器为 0 后会重置为最初值，所以不用重新复制。

代码如下：

Java 复制代码 
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class CyclicBarrierPrint {
    
    // 控制变量
    static volatile int state = 1;
    // 可以循环使用
    static CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(3);
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread threadA = new Thread(() -> {
            for (; ; ) {
                while (state == 1) {
                    // System.out.println("-------");
                    System.out.println("A");
                    state = 2;
                    try {
                        cyclicBarrier.await();
                    } catch (Exception e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                }
            }
        }, "A");

        Thread threadB = new Thread(() -> {
            for (; ; ) {
                while (state == 2) {
                    System.out.println("B");
                    state = 3;
                    try {
                        cyclicBarrier.await();
                    } catch (Exception e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                }
            }
        }, "B");

        Thread threadC = new Thread(() -> {
            for (; ; ) {
                while (state == 3) {
                    System.out.println("C");
                    state = 1;
                    try {
                        cyclicBarrier.await();
                    } catch (Exception e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                }
            }
        }, "C");

        threadA.start();
        threadB.start();
        threadC.start();

        threadA.join();
        threadB.join();
        threadC.join();
    }

}

但是 CyclicBarrier 比较特殊。分析代码执行情况：

当 state = 1 的时候； A 线程停止； BC都在运行

当 state = 2 的时候；B 线程停止，同时 A 线程依然停止；只有 C继续运行

当 state = 3 的时候，满足 CyclicBarrier 的机制； ABC 三个线程又恢复运行

因此从理论上：C 线程 running 状态时间最长 （目前只能使用 CyclicBarrier 写出这样的代码）

性能消耗情况：

  • CPU 使用 17% 左右。即 2 核
  • C 线程使用占比100%，其他线程低于50%

相比其他几个工具类，耗能偏高了。

难道阻塞就可以？

那么试试阻塞队列吧

4.4 阻塞队列

以 LinkedBlockingDeque 为例子，核心api：

  • put(E e)：如果双端队列未满，立即插入元素 e；如果双端队列已满， 阻塞 等待直到有空间。
  • take()：如果双端队列非空，移除并返回头部元素；如果双端队列为空， 阻塞 等待直到有元素可用

代码如下：

  • 设置每个阻塞队列容量为 1
  • A 线程往 B的阻塞队列插入元素；B 往 C 插入元素；C 往 A 插入元素。 每个线程从各自的阻塞队列取元素。如果没有元素就阻塞。
  • 如果队列中有1个元素就阻塞
Java 复制代码 
import java.util.concurrent.LinkedBlockingDeque;

public class LinkedBlockingDequePrint {
    // 使用阻塞队列完成
    static LinkedBlockingDeque<String> dequeA = new LinkedBlockingDeque<>(1);
    static LinkedBlockingDeque<String> dequeB = new LinkedBlockingDeque<>(1);
    static LinkedBlockingDeque<String> dequeC = new LinkedBlockingDeque<>(1);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Thread threadA = new Thread(() -> {
            for (; ; ) {
                try {
                    // 阻塞获取
                    String take = dequeA.take();
                    System.out.println("----------");
                    System.out.println(take);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                try {
                    // 放入 B 队列
                    dequeB.put("B");
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }

        }, "A");

        Thread threadB = new Thread(() -> {
            for (; ; ) {
                try {
                    String take = dequeB.take();
                    System.out.println(take);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }

                try {
                    // 放入 C 队列
                    dequeC.put("C");
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }

        }, "B");

        Thread threadC = new Thread(() -> {
            for (; ; ) {
                try {
                    String take = dequeC.take();
                    System.out.println(take);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }

                try {
                    dequeA.put("A");
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }

            }
        }, "C");

        threadA.start();
        threadB.start();
        threadC.start();

        // 启动
        dequeA.put("A");

        threadA.join();
        threadB.join();
        threadC.join();
    }
}

SynchronousQueue 、DelayQueue 等阻塞队列的相关阻塞方法也是可以的

耗能分析

  • cpu 使用率小于 10%
  • 线程 running 时间小于 30%

通过阻塞方式，可以协助线程完成等待。通过条件的修改，使得多个线程可以按照特定顺序进行打印。

到目前为止，已经初步得到一个结论。可以阻塞其他线程都可以被用来实现 ABC 的循环打印。

特别说明：本次比较是基于上面的代码，有可能你通过这些工具能将代码写得更好！

4.5 方法汇总比较

简单比较

注意上面的写法不是标准答案，仅作参考。

五、最后

5.1 其他问题

问题一：Thread 调用 run() 方法而不是 start() 方法会怎么样?

答：可以调用，调用 run() 方法是同步调用，属于同一个线程，而 start() 是另外一个线程去执行方法，是两个线程

问题二： Thread 调用两次 start() 方法会怎么样？

答：会报错，每一个阶段都有一个自己的线程状态，调用 start() 方法会将线程状态从 new 编程 runnable。每次调用 start() 都会进行状态检测，所以报错

Java 复制代码 
if (threadStatus != 0)
        throw new IllegalThreadStateException();

5.2 总结

通过深入的了解，以及各种性能的比较，对线程之间的协作有了更深入的理解；如果再遇到这道题的时候，至少不会手足无措了。

📽 故事结尾：很遗憾，那次面试很糟糕，但下次应该不会了。

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