java并发-使用内置条件队列实现简单的有界缓存

内置锁和内置条件队列一起，一个简单的应用是创建可阻塞的有界缓存区，java并发包的BlockingQueue就是一个利用Lock和显式条件队列实现的可阻塞的有界队列。总结内置锁和内置条件的原理，这里我们用另一种方式实现简单的可阻塞缓存。源码如下：

首先，创建一抽象有界缓存类ABoundedBuffer，提供插入和删除的基本实现。

/**
 * @title       :ABoundedBuffer
 * @description :有界缓存抽象类
 * @update      :2014-12-30 上午9:29:33
 * @author      :172.17.5.73
 * @version     :1.0.0
 * @since       :2014-12-30
 */
public abstract class ABoundedBuffer<V> {
	private final V[] buf;
	private int tail;
	private int head;
	private int count;

	protected ABoundedBuffer(int capacity){
		this.buf = (V[]) new Object[capacity];
	}

	protected synchronized final void doPut(V v){
		buf[tail] = v;
		if(++tail==buf.length){
			tail = 0;
		}

		++count;
	}

	protected synchronized final V doTake(){
		V v = buf[head];
		buf[head] = null;
		if(++head==buf.length){
			head = 0;
		}
		--count;
		return v;
	}

	public synchronized final boolean isFull(){
		return count == buf.length;
	}

	public synchronized final boolean isEmpty(){
		return count==0;
	}
}

其次，利用内置条件队列，编写子类实现可阻塞的插入和删除操作。插入操作，依赖的条件是缓存非满，当条件不满足时，调用wait方法挂起线程，一旦插入成功，说明缓存非空，则调用notifyAll方法唤醒等待非空的线程。删除操作，依赖的条件是非空，当条件不满足时，同样挂起等待，一旦删除成功，说明缓存非满，唤起等待该条件的线程。简单的源码如下：

import java.util.Date;

/**
 *
 * @title       :InnerConditionQueue
 * @description :使用内置条件队列，实现简单的有界缓存
 *               通过对象的wait和notify来实现挂起
 *               锁对象是this,调用wait/notify的对象是同一个对象。
 *               三元关系（锁、wait/notify、条件谓词）
 *               缺陷：
 *               线程从wait中被唤醒时，并不代码条件谓词为真，此时还是需要再判断条件。所以必须在循环中调用wait
 *               每次醒来时都判断谓词的真假。
 *               谓词：对客体的描述或说明（是什么、怎么样、做什么），描述客体的本质、关系、特性等的词项。
 * @update      :2014-12-18 下午4:18:06
 * @author      :172.17.5.73
 * @version     :1.0.0
 * @since       :2014-12-18
 */
public class InnerConditionQueue<V> extends ABoundedBuffer<V> {

	protected InnerConditionQueue(int capacity) {
		super(capacity);
	}

	public synchronized void put(V v) throws InterruptedException{
		while(isFull()){
			System.out.println(new Date()+" buffer is Full thread wait:"+Thread.currentThread().getName());
			wait();
		}

		doPut(v);
		notifyAll();
	}

	public synchronized V take() throws InterruptedException{
		while(isEmpty()){
			System.out.println(new Date()+" buffer is empty thread wait:"+Thread.currentThread().getName());
			wait();
		}

		V v = doTake();
		//每当在等待一个条件时，一定要确保在条件谓词变为真时，通过某种方式发出通知
		notifyAll();
		System.out.println(new Date()+" "+Thread.currentThread().getName()+" take:"+v);
		return v;
	}
}

最后，编写测试代码，创建一个大小为2的缓冲区，启动三个线程执行插入操作，当第三个线程执行时会因为缓存已满而挂起，主线程删除两个记录后，等待线程被唤醒成功插入。当缓存空的时候，之后的删除操作将被阻塞直到有新的记录插入为止。测试代码如下：

import java.util.Date;

public class Main {
	public static void main(String[] args) {
		final InnerConditionQueue<String> bu = new InnerConditionQueue<String>(2);

		Thread t1 = new Thread(new Runnable(){
			@Override
			public void run() {
				try {
					bu.put("hello1");
				} catch (InterruptedException execption) {
					System.out.println("intercetp1:"+Thread.currentThread().getName());
				}
			}
		});
		Thread t2 = new Thread(new Runnable(){

			@Override
			public void run() {
				try {
					bu.put("hello2");
				} catch (InterruptedException execption) {
					System.out.println("intercetp2:"+Thread.currentThread().getName());
				}
			}
		});
		Thread t3 =  new Thread(new Runnable(){
			@Override
			public void run() {
				try {
					bu.put("hello3");
					Thread.sleep(50000);
					bu.put("last one...");
				} catch (InterruptedException execption) {
					System.out.println("intercetp3:"+Thread.currentThread().getName());
				}
			}
		});

		t1.start();
		t2.start();
		t3.start();

		try {
			Thread.sleep(5000);
			bu.take();
			bu.take();
			bu.take();
			bu.take();
		} catch (InterruptedException execption) {
			execption.printStackTrace();
		}

		System.out.println(new Date()+" main over...");
	}
}

执行结果：t3的第一个put操作会因为缓存已满而阻塞，5秒后主线程删除两个操作后，重新被唤醒。主线程的第四个bu.take()操作会因为缓存为空而阻塞，直到t3在50秒后重新插入"last one"后被唤醒，操作结束。

Tue Dec 30 10:23:53 CST 2014 buffer is Full thread wait:Thread-2
Tue Dec 30 10:23:58 CST 2014 main take:hello1
Tue Dec 30 10:23:58 CST 2014 main take:hello2
Tue Dec 30 10:23:58 CST 2014 buffer is empty thread wait:main
Tue Dec 30 10:23:58 CST 2014 main take:hello3
Tue Dec 30 10:23:58 CST 2014 buffer is empty thread wait:main
Tue Dec 30 10:24:48 CST 2014 main take:last one...
Tue Dec 30 10:24:48 CST 2014 main over...

结论：BlockingQueue的子类ArrayBlockingQueue是使用ReentrantLock和ObjectCondition实现的可阻塞队列，该实现选取显式锁和显式条件队列的原因是很显然，这个队列的入队和出队操作依赖两个条件，而ReentrantLock可以关联多个条件队列。它与我们用Object的内置队列相比，巧妙之处在于：线程会在其等待的条件队列中等待。我们的例子中非空和非满这两种条件都关联着同一个条件队列，当一个线程由于其他线程调用了notifyAll而被唤醒时，并不意味着它等待的条件已经为真了，这也是内置条件队列的局限所在。