Java精讲:生产者-消费者

本文概要

生产者和消费者问题是线程模型中老生常谈的问题,也是面试中经常遇到的问题。光在Java中的实现方式多达数十种,更不用说加上其他语言的实现方式了。那么我们该如何学习呢?

本文会通过精讲wait()和notify()方法实现生产者-消费者模型,来学习生产者和消费者问题的原理。

目的是当你理解了最简单实现原理,再看其他的实现,无非使用了更高级的机制(例如锁、信号量、管道等等)来照猫画虎的实现这个原理,万变不离其宗,它们的原理都是一样的。

本文也会列出一部分其他的实现方式代码。千万不要尝试去背诵所有实现代码,只有掌握了实现原理才能遇到问题的时候游刃有余。

精讲wait()和notify()方法实现生产者-消费者模型


  • 啥是生产者-消费者模型:

生产者和消费者在同一时间段内共用同一个存储空间,生产者往存储空间中添加产品,消费者从存储空间中取走产品,当存储空间为空时,消费者阻塞,当存储空间满时,生产者阻塞。

现实生活中的例子:12306抢购火车票、淘宝购买商品、仓库管理等。

  • 分步的实现我们的模型
public class Test1 {
    private static Integer count = 0;  //代表生产的商品数量
    private static final Integer FULL = 10;  //代表商品最多多少个(也就是缓冲区大小)
    private static final Object LOCK = new Object(); //锁对象  ----分析1

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {   //创造一堆生产者和消费者模拟真实环境
            new Thread(new Producer()).start();
        }
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(new Consumer()).start();
        }
    }

    static class Producer implements Runnable { //代表生产者
        @Override
        public void run() {

        }
    }

    static class Consumer implements Runnable {  //代表消费者
        @Override
        public void run() {

        }
    }
}

分析1.在main函数中创建了5个消费者线程任务和5个生产者线程任务,当这10个线程同时运行时,需要保证生产者和消费者所公用的缓冲区是同步被改变的,就是说不同线程访问缓冲区的数据不能发生错乱。这里就是用一个锁来保证缓冲区每次只有一个线程访问

接下来看下生产者和消费者的实现:

static class Producer implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {  //一次多生产几个商品
                try {
                    Thread.sleep(3000);  //模拟真实环境,让生产的慢一点,间隔3秒
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }

                synchronized (LOCK) {  //线程同步  
                    while (count.equals(FULL)) {  //当缓冲区满了  
                        try {
                            LOCK.wait();   //让线程等待  ----分析1
                        } catch (Exception e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                    count++;  //缓冲区不满时继续生产商品,商品加一
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "生产者生产,目前总共有" + count);
                    LOCK.notifyAll(); //唤醒等待的消费者
                }
            }
        }
    }

    static class Consumer implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (LOCK) {  
                    while (count == 0) {  //当没有商品时,需要等待生产者生产商品
                        try {
                            LOCK.wait();   //----分析 2
                        } catch (Exception e) {
                        }
                    }
                    count--; //商品被消耗,商品减一
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "消费者消费,目前总共有" + count);
                    LOCK.notifyAll();  //商品被消耗后,通知等待的生产者
                }
            }
        }
    }

分析:
1.当缓冲区满了的时候,需要阻止生产者继续生产商品
2.当缓冲区为空,没有商品时,需要阻止消费者继续消费商品

相信代码分析和详细的注释,你已经能很好的理解这个生产者-消费者模型的原理了。接下来贴出其他的几种实现代码。

其他的实现方法代码

使用锁实现:

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class Test1 {
    private static Integer count = 0;
    private static final Integer FULL = 10;
    //创建一个锁对象
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    //创建两个条件变量,一个为缓冲区非满,一个为缓冲区非空
    private final Condition notFull = lock.newCondition();
    private final Condition notEmpty = lock.newCondition();
    public static void main(String[] args) {
        Test1 test1 = new Test1();
        new Thread(test1.new Producer()).start();
        new Thread(test1.new Consumer()).start();
        new Thread(test1.new Producer()).start();
        new Thread(test1.new Consumer()).start();
        new Thread(test1.new Producer()).start();
        new Thread(test1.new Consumer()).start();
        new Thread(test1.new Producer()).start();
        new Thread(test1.new Consumer()).start();
    }
    class Producer implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                //获取锁
                lock.lock();
                try {
                    while (count == FULL) {
                        try {
                            notFull.await();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                    count++;
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                            + "生产者生产,目前总共有" + count);
                    //唤醒消费者
                    notEmpty.signal();
                } finally {
                    //释放锁
                    lock.unlock();
                }
            }
        }
    }
    class Consumer implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e1) {
                    e1.printStackTrace();
                }
                lock.lock();
                try {
                    while (count == 0) {
                        try {
                            notEmpty.await();
                        } catch (Exception e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                    count--;
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                            + "消费者消费,目前总共有" + count);
                    notFull.signal();
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        }
    }
}

使用阻塞队列:
当队列满了或空了的时候进行入队列操作都会被阻塞。

import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;

public class Test1 {
    private static Integer count = 0;
    //创建一个阻塞队列
    final BlockingQueue blockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(10);
    public static void main(String[] args) {
        Test1 test1 = new Test1();
        new Thread(test1.new Producer()).start();
        new Thread(test1.new Consumer()).start();
        new Thread(test1.new Producer()).start();
        new Thread(test1.new Consumer()).start();
        new Thread(test1.new Producer()).start();
        new Thread(test1.new Consumer()).start();
        new Thread(test1.new Producer()).start();
        new Thread(test1.new Consumer()).start();
    }
    class Producer implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                try {
                    blockingQueue.put(1);
                    count++;
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                            + "生产者生产,目前总共有" + count);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
    class Consumer implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e1) {
                    e1.printStackTrace();
                }
                try {
                    blockingQueue.take();
                    count--;
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                            + "消费者消费,目前总共有" + count);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

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