java 生产者消费者问题

引言

生产者和消费者问题是线程模型中的经典问题：生产者和消费者在同一时间段内共用同一个存储空间，如下图所示，生产者向空间里存放数据，而消费者取用数据，如果不加以协调可能会出现以下情况：

生产者消费者图

存储空间已满，而生产者占用着它，消费者等着生产者让出空间从而去除产品，生产者等着消费者消费产品，从而向空间中添加产品。互相等待，从而发生死锁。

生产者消费者问题是研究多线程程序时绕不开的经典问题之一，它描述是有一块缓冲区作为仓库，生产者可以将产品放入仓库，消费者则可以从仓库中取走产品。解决生产者/消费者问题的方法可分为两类：

（1）采用某种机制保护生产者和消费者之间的同步；

（2）在生产者和消费者之间建立一个管道。

第一种方式有较高的效率，并且易于实现，代码的可控制性较好，属于常用的模式。第二种管道缓冲区不易控制，被传输数据对象不易于封装等，实用性不强。因此本文只介绍同步机制实现的生产者/消费者问题。

同步问题核心在于：如何保证同一资源被多个线程并发访问时的完整性。常用的同步方法是采用信号或加锁机制， 保证资源在任意时刻至多被一个线程访问。Java语言在多线程编程上实现了完全对象化，提供了对同步机制的良好支持。在Java中一共有四种方法支持同 步，其中前三个是同步方法，一个是管道方法。

（1）wait() / notify()方法

（2）await() / signal()方法

（3）BlockingQueue阻塞队列方法

（4）PipedInputStream / PipedOutputStream

本文只介绍最常用的前两种种，第三、四种暂不做讨论，有兴趣的读者可以自己去网上找答案。

一、wait() / notify()方法

wait() / nofity()方法是基类Object的两个方法，也就意味着所有Java类都会拥有这两个方法，这样，我们就可以为任何对象实现同步机制。

wait()方法：当缓冲区已满/空时，生产者/消费者线程停止自己的执行，放弃锁，使自己处于等等状态，让其他线程执行。

notify()方法：当生产者/消费者向缓冲区放入/取出一个产品时，向其他等待的线程发出可执行的通知，同时放弃锁，使自己处于等待状态。

代码实现：

1、仓库类

2、生产者

1. /**  
2.  * 生产者类Producer继承线程类Thread  
3.  *   
4.  *   
5.  * @author zcr 
6.  *   
7.  */   
8. public class Producer extends Thread   
9. {   
10.     // 每次生产的产品数量   
11.     private int num;   
12.    
13.     // 所在放置的仓库   
14.     private Storage storage;   
15.    
16.     // 构造函数，设置仓库   
17.     public Producer(Storage storage)   
18.     {   
19.         this.storage = storage;   
20.     }   
21.    
22.     // 线程run函数   
23.     public void run()   
24.     {   
25.         produce(num);   
26.     }   
27.    
28.     // 调用仓库Storage的生产函数   
29.     public void produce(int num)   
30.     {   
31.         storage.produce(num);   
32.     }   
33.    
34.     // get/set方法   
35.     public int getNum()   
36.     {   
37.         return num;   
38.     }   
39.    
40.     public void setNum(int num)   
41.     {   
42.         this.num = num;   
43.     }   
44.    
45.     public Storage getStorage()   
46.     {   
47.         return storage;   
48.     }   
49.    
50.     public void setStorage(Storage storage)   
51.     {   
52.         this.storage = storage;   
53.     }   
54. } 

3、消费者

1. /**  
2.  * 消费者类Consumer继承线程类Thread  
3.  *   
4.  *   
5.  * @author zcr 
6.  *   
7.  */   
8. public class Consumer extends Thread   
9. {   
10.     // 每次消费的产品数量   
11.     private int num;   
12.    
13.     // 所在放置的仓库   
14.     private Storage storage;   
15.    
16.     // 构造函数，设置仓库   
17.     public Consumer(Storage storage)   
18.     {   
19.         this.storage = storage;   
20.     }   
21.    
22.     // 线程run函数   
23.     public void run()   
24.     {   
25.         consume(num);   
26.     }   
27.    
28.     // 调用仓库Storage的生产函数   
29.     public void consume(int num)   
30.     {   
31.         storage.consume(num);   
32.     }   
33.    
34.     // get/set方法   
35.     public int getNum()   
36.     {   
37.         return num;   
38.     }   
39.    
40.     public void setNum(int num)   
41.     {   
42.         this.num = num;   
43.     }   
44.    
45.     public Storage getStorage()   
46.     {   
47.         return storage;   
48.     }   
49.    
50.     public void setStorage(Storage storage)   
51.     {   
52.         this.storage = storage;   
53.     }   
54. } 

4、测试类

1. /**  
2.  * 测试类Test  
3.  * @author zcr 
4.  *   
5.  */   
6. public class Test   
7. {   
8.     public static void main(String[] args)   
9.     {   
10.         // 仓库对象   
11.         Storage storage = new Storage();   
12.    
13.         // 生产者对象   
14.         Producer p1 = new Producer(storage);   
15.         Producer p2 = new Producer(storage);   
16.         Producer p3 = new Producer(storage);   
17.         Producer p4 = new Producer(storage);   
18.         Producer p5 = new Producer(storage);   
19.         Producer p6 = new Producer(storage);   
20.         Producer p7 = new Producer(storage);   
21.    
22.         // 消费者对象   
23.         Consumer c1 = new Consumer(storage);   
24.         Consumer c2 = new Consumer(storage);   
25.         Consumer c3 = new Consumer(storage);   
26.    
27.         // 设置生产者产品生产数量   
28.         p1.setNum(10);   
29.         p2.setNum(10);   
30.         p3.setNum(10);   
31.         p4.setNum(10);   
32.         p5.setNum(10);   
33.         p6.setNum(10);   
34.         p7.setNum(80);   
35.    
36.         // 设置消费者产品消费数量   
37.         c1.setNum(50);   
38.         c2.setNum(20);   
39.         c3.setNum(30);   
40.    
41.         // 线程开始执行   
42.         c1.start();   
43.         c2.start();   
44.         c3.start();   
45.         p1.start();   
46.         p2.start();   
47.         p3.start();   
48.         p4.start();   
49.         p5.start();   
50.         p6.start();   
51.         p7.start();   
52.     }   
53. } 

5、结果：

1. 【要消费的产品数量】:50     【库存量】:0      暂时不能执行生产任务! 
2. 【要消费的产品数量】:20     【库存量】:0      暂时不能执行生产任务! 
3. 【已经生产产品数】:10     【现仓储量为】:10 
4. 【要消费的产品数量】:20     【库存量】:10      暂时不能执行生产任务! 
5. 【要消费的产品数量】:50     【库存量】:10      暂时不能执行生产任务! 
6. 【已经生产产品数】:10     【现仓储量为】:20 
7. 【已经生产产品数】:10     【现仓储量为】:30 
8. 【要消费的产品数量】:50     【库存量】:30      暂时不能执行生产任务! 
9. 【已经消费产品数】:20      【现仓储量为】:10 
10. 【已经生产产品数】:10     【现仓储量为】:20 
11. 【已经生产产品数】:10     【现仓储量为】:30 
12. 【要消费的产品数量】:50     【库存量】:30      暂时不能执行生产任务! 
13. 【已经生产产品数】:10     【现仓储量为】:40 
14. 【已经消费产品数】:30      【现仓储量为】:10 
15. 【要消费的产品数量】:50     【库存量】:10      暂时不能执行生产任务! 
16. 【已经生产产品数】:80     【现仓储量为】:90 
17. 【已经消费产品数】:50      【现仓储量为】:40 

看完上述代码，对wait() / notify()方法实现的同步有了了解。你可能会对Storage类中为什么要定义public void produce(int num);和public void consume(int num);方法感到不解，为什么不直接在生产者类Producer和消费者类Consumer中实现这两个方法，却要调用Storage类中的实现呢？淡定，后文会有解释。我们先往下走。

二、await() / signal()方法

在JDK5.0之后，Java提供了更加健壮的线程处理机制，包括同步、锁定、线程池等，它们可以实现更细粒度的线程控制。await()和 signal()就是其中用来做同步的两种方法，它们的功能基本上和wait() / nofity()相同，完全可以取代它们，但是它们和新引入的锁定机制Lock直接挂钩，具有更大的灵活性。通过在Lock对象上调用newCondition()方法，将条件变量和一个锁对象进行绑定，进而控制并发程序访问竞争资源的安全。

下面来看代码：

只需要更新仓库类Storage的代码即可，生产者Producer、消费者Consumer、测试类Test的代码均不需要进行任何更改。

仓库类

1. import java.util.LinkedList; 
2. import java.util.concurrent.locks.Condition; 
3. import java.util.concurrent.locks.Lock; 
4. import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; 
5.  
6. /** 
7.  * 仓库类Storage实现缓冲区 
8.  *  
9.  *  
10.  * @author MONKEY.D.MENG 2011-03-15 
11.  *  
12.  */ 
13. public class Storage 
14. { 
15.     // 仓库最大存储量 
16.     private final int MAX_SIZE = 100; 
17.  
18.     // 仓库存储的载体 
19.     private LinkedList<Object> list = new LinkedList<Object>(); 
20.  
21.     // 锁 
22.     private final Lock lock = new ReentrantLock(); 
23.  
24.     // 仓库满的条件变量 
25.     private final Condition full = lock.newCondition(); 
26.  
27.     // 仓库空的条件变量 
28.     private final Condition empty = lock.newCondition(); 
29.  
30.     // 生产num个产品 
31.     public void produce(int num) 
32.     { 
33.         // 获得锁 
34.         lock.lock(); 
35.  
36.         // 如果仓库剩余容量不足 
37.         while (list.size() + num > MAX_SIZE) 
38.         { 
39.             System.out.println("【要生产的产品数量】:" + num + "/t【库存量】:" + list.size() 
40.                     + "/t暂时不能执行生产任务!"); 
41.             try 
42.             { 
43.                 // 由于条件不满足，生产阻塞 
44.                 full.await(); 
45.             } 
46.             catch (InterruptedException e) 
47.             { 
48.                 e.printStackTrace(); 
49.             } 
50.         } 
51.  
52.         // 生产条件满足情况下，生产num个产品 
53.         for (int i = 1; i <= num; ++i) 
54.         { 
55.             list.add(new Object()); 
56.         } 
57.  
58.         System.out.println("【已经生产产品数】:" + num + "/t【现仓储量为】:" + list.size()); 
59.  
60.         // 唤醒其他所有线程 
61.         full.signalAll(); 
62.         empty.signalAll(); 
63.  
64.         // 释放锁 
65.         lock.unlock(); 
66.     } 
67.  
68.     // 消费num个产品 
69.     public void consume(int num) 
70.     { 
71.         // 获得锁 
72.         lock.lock(); 
73.  
74.         // 如果仓库存储量不足 
75.         while (list.size() < num) 
76.         { 
77.             System.out.println("【要消费的产品数量】:" + num + "/t【库存量】:" + list.size() 
78.                     + "/t暂时不能执行生产任务!"); 
79.             try 
80.             { 
81.                 // 由于条件不满足，消费阻塞 
82.                 empty.await(); 
83.             } 
84.             catch (InterruptedException e) 
85.             { 
86.                 e.printStackTrace(); 
87.             } 
88.         } 
89.  
90.         // 消费条件满足情况下，消费num个产品 
91.         for (int i = 1; i <= num; ++i) 
92.         { 
93.             list.remove(); 
94.         } 
95.  
96.         System.out.println("【已经消费产品数】:" + num + "/t【现仓储量为】:" + list.size()); 
97.  
98.         // 唤醒其他所有线程 
99.         full.signalAll(); 
100.         empty.signalAll(); 
101.  
102.         // 释放锁 
103.         lock.unlock(); 
104.     } 
105.  
106.     // set/get方法 
107.     public int getMAX_SIZE() 
108.     { 
109.         return MAX_SIZE; 
110.     } 
111.  
112.     public LinkedList<Object> getList() 
113.     { 
114.         return list; 
115.     } 
116.  
117.     public void setList(LinkedList<Object> list) 
118.     { 
119.         this.list = list; 
120.     } 
121. } 

结果：

这样我们就知道为神马我要在Storage类中定义public void produce(int num);和public void consume(int num);方法，并在生产者类Producer和消费者类Consumer中调用Storage类中的实现了吧。将可能发生的变化集中到一个类中，不影响原有的构架设计，同时无需修改其他业务层代码。

总结

两种方式原理一致，都是对独占空间加锁，阻塞和唤醒线程，第一种方式比较传统，第二种方式速度比较快。

致谢：感谢您的耐心阅读！

作者：WhyWin

来源：51CTO