小猫🐱线程
前言
早晨看到一个视频有感，视频中两只小猫互相轮流吃猫粮，由此我想到了并发编程中的"资源竞争"和“线程交替执行”现象（emmm学疯了，满脑子都是计算机专业术语）
图中的猫粮可以看作是 CPU 资源，两只小猫同时吃猫粮，可以看作是是两个线程同时在争夺 CPU 资源。因为两只猫都很有礼貌（孔🐱让猫粮hhh），会轮流吃，相当于并发编程中的 “多线程的交替执行” ；但是还有另一种情况，如果一只猫（一个线程）更强势，它可能吃掉大部分猫粮（占据大部分的资源），而另一只猫只能“饿着”，这对应于多线程中的 “资源饥饿”、“资源竞争” 问题。
下面让我们重温下线程交替执行的几种实现方式，以及如何应对资源竞争问题。
线程交替执行
要求A B 线程交替执行，最终输出如下图所示
需求，有两个线程，A线程内容是输出数字1到26，B线程内容是输出字母a-z
在 Java 中，实现线程交替执行的方式有多种，例如，标志位+synchronized+wait/notify方法、标志位+condition机制
标志位+synchronized+wait/notify
实现思路：通过 synchronized 关键字和 Object 类的 wait() 和 notify() 方法，多个线程可以协调并交替执行。wait() 方法会让线程进入等待状态，直到接收到其他线程通过 notify() 或 notifyAll() 发送的通知。
public class AlternatingExecution1 {
// 锁
private static final Object lock = new Object();
// 标志位，isFirst为true表示PrintTask1线程执行，为false表示PrintTask2线程执行
private static boolean isFirst = true;
static class PrintTask1 implements Runnable {
@Override
public void run() {
synchronized (lock) {
for (int i = 1; i <= 26; i++) {
try {
while (!isFirst) {
// 等待，释放资源
lock.wait();
}
// 工作
System.out.print(i + " ");
isFirst = false; // 切换
lock.notify(); // 唤醒另一个线程
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
static class PrintTask2 implements Runnable {
@Override
public void run() {
synchronized (lock) {
for (char i = 'a'; i <= 'z'; i++) {
try {
while (isFirst) {
// 等待释放资源
lock.wait();
}
System.out.print(i + " ");
isFirst = true; // 切换
lock.notify(); // 唤醒另一个线程
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
public static void main(String[] args) {
Thread t1 = new Thread(new PrintTask1());
Thread t2 = new Thread(new PrintTask2());
t1.start();
t2.start();
}
}标志位+lock_condition机制
实现思路：和wait_notiy实现的基本一致
改变地方：wait变成了await，notify变成了signal，lock使用了ReentrantLock(
public class AlternatingExecution2 {
private static Lock lock = new ReentrantLock();
private static Condition condition = lock.newCondition();
private static boolean isFirst = true;
static class PrintTask1 implements Runnable {
@Override
public void run() {
lock.lock();
for (int i = 1; i <= 26; i++) {
try {
while (!isFirst) {
// 等待并释放资源，相当于 lock.wait()
condition.await();
}
// 工作
System.out.print(i + " ");
isFirst = false; // 切换
// 唤醒其他线程，相当于 lock.notifyAll()
condition.signal();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
lock.unlock();
}
}
static class PrintTask2 implements Runnable {
@Override
public void run() {
lock.lock();
for (char i = 'a'; i <= 'z'; i++) {
try {
while (isFirst) {
// 释放资源
condition.await();
}
System.out.print(i + " ");
isFirst = true; // 切换
condition.signal();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
lock.unlock();
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(new PrintTask1());
Thread t2 = new Thread(new PrintTask2());
t1.start();
t2.start();
}
}扩展：三线程交替执行
要求A B C线程交替执行，A线程输出数字、B线程输出小写字母、C线程输出大写字母。最终输出如下图所示：
实现思路：将标志位改为String类型的，A线程执行完毕之后将标志位改为B、B线程执行完毕之后将标志位改为C、C线程执行完毕之后将标志位改为A
public class AlternatingExecution3 {
private static Lock lock = new ReentrantLock();
private static Condition condition = lock.newCondition();
// 标志位
private static String falg = "A";
static class PrintTask1 implements Runnable {
@Override
public void run() {
lock.lock();
for (int i = 1; i <= 26; i++) {
try {
while (!falg.equals("A")) {
// 等待并释放资源，相当于 lock.wait()
condition.await();
}
// 工作
System.out.print(i + " ");
falg = "B"; // 切换
// 唤醒其他线程，相当于 lock.notifyAll()
condition.signal();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
lock.unlock();
}
}
static class PrintTask2 implements Runnable {
@Override
public void run() {
lock.lock();
for (char i = 'a'; i <= 'z'; i++) {
try {
while (!falg.equals("B")) {
// 释放资源
condition.await();
}
System.out.print(i + " ");
falg = "C"; // 切换
condition.signal();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
lock.unlock();
}
}
static class PrintTask3 implements Runnable {
@Override
public void run() {
lock.lock();
for (char i = 'A'; i <= 'Z'; i++) {
try {
while (!falg.equals("C")) {
// 释放资源
condition.await();
}
System.out.print(i + " ");
falg = "A"; // 切换
condition.signal();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
lock.unlock();
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread t1 = new Thread(new PrintTask1());
Thread t2 = new Thread(new PrintTask2());
Thread t3 = new Thread(new PrintTask3());
t1.start();
t2.start();
t3.start();
}
}资源竞争
如何解决猫的“竞争”问题？
- 锁机制：给猫条设置一个“锁”（例如，人控制着猫粮），两只猫只能轮流吃
- 优先级调度：给其中一只猫更高的优先级，确保它先吃（例如，年纪小的猫优先）
- 资源分片：把猫粮分成两段，各自一半，避免直接竞争
- 公平竞争：通过计时器，控制两只猫按固定的时间间隔轮流吃