生产者-消费者Java实现
2017-07-27
1 概述
生产者消费者问题是多线程的一个经典问题，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：
- 采用某种机制保护生产者和消费者之间的同步；
- 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。
在Java中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。
- wait() / notify()方法
- await() / signal()方法
- BlockingQueue阻塞队列方法
- PipedInputStream / PipedOutputStream
本文只介绍前三种。
2 实现
2.1 wait() / notify()方法
wait() / nofity()方法是基类Object的两个方法：
- 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。
缓冲区Storage.java代码如下：
import java.util.LinkedList;public class Storage
{
// 仓库最大存储量
private final int MAX_SIZE = 100; // 仓库存储的载体
private LinkedList<Object> list = new LinkedList<Object>(); // 生产产品
public void produce(String producer)
{
synchronized (list)
{
// 如果仓库已满
while (list.size() == MAX_SIZE)
{
System.out.println("仓库已满，【"+producer+"】： 暂时不能执行生产任务!");
try
{
// 由于条件不满足，生产阻塞
list.wait();
}
catch (InterruptedException e)
{
e.printStackTrace();
}
} // 生产产品
list.add(new Object()); System.out.println("【"+producer+"】：生产了一个产品\t【现仓储量为】:" + list.size()); list.notifyAll();
}
} // 消费产品
public void consume(String consumer)
{
synchronized (list)
{
//如果仓库存储量不足
while (list.size()==0)
{
System.out.println("仓库已空，【"+consumer+"】： 暂时不能执行消费任务!");
try
{
// 由于条件不满足，消费阻塞
list.wait();
}
catch (InterruptedException e)
{
e.printStackTrace();
}
} list.remove();
System.out.println("【"+consumer+"】：消费了一个产品\t【现仓储量为】:" + list.size());
list.notifyAll();
}
} public LinkedList<Object> getList()
{
return list;
} public void setList(LinkedList<Object> list)
{
this.list = list;
} public int getMAX_SIZE()
{
return MAX_SIZE;
}
}
Test.java
public class Test {
public static void main(String[] args)
{
Storage storage=new Storage(); for(int i=1;i<6;i++)
{
int finalI = i;
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
storage.produce(String.format("生成者%d:", finalI));
}
}).start();
} for(int i=1;i<4;i++)
{
int finalI = i;
new Thread(()-> storage.consume(String.format("消费者%d:", finalI))).start();
}
}
}
结果如下：
仓库已空，【消费者1】： 暂时不能执行消费任务!
【生产者3】：生产了一个产品 【现仓储量为】:1
【消费者2】：消费了一个产品 【现仓储量为】:0
仓库已空，【消费者3】： 暂时不能执行消费任务!
【生产者1】：生产了一个产品 【现仓储量为】:1
【生产者4】：生产了一个产品 【现仓储量为】:2
【生产者2】：生产了一个产品 【现仓储量为】:3
【生产者5】：生产了一个产品 【现仓储量为】:4
【消费者1】：消费了一个产品 【现仓储量为】:3
【消费者3】：消费了一个产品 【现仓储量为】:2
2.2 await() / signal()方法
await()和signal()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。
缓冲区Storage.java代码如下：
import java.util.LinkedList;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class Storage {
// 仓库最大存储量
private final int MAX_SIZE = 100; // 仓库存储的载体
private LinkedList<Object> list = new LinkedList<Object>();
// 锁
private final Lock lock = new ReentrantLock(); // 仓库满的条件变量
private final Condition full = lock.newCondition(); // 仓库空的条件变量
private final Condition empty = lock.newCondition(); // 生产产品
public void produce(String producer) {
lock.lock();
// 如果仓库已满
while (list.size() == MAX_SIZE) {
System.out.println("仓库已满，【" + producer + "】： 暂时不能执行生产任务!");
try {
// 由于条件不满足，生产阻塞
full.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
} // 生产产品
list.add(new Object()); System.out.println("【" + producer + "】：生产了一个产品\t【现仓储量为】:" + list.size()); empty.signalAll(); // 释放锁
lock.unlock(); } // 消费产品
public void consume(String consumer) {
// 获得锁
lock.lock(); // 如果仓库存储量不足
while (list.size() == 0) {
System.out.println("仓库已空，【" + consumer + "】： 暂时不能执行消费任务!");
try {
// 由于条件不满足，消费阻塞
empty.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
} list.remove();
System.out.println("【" + consumer + "】：消费了一个产品\t【现仓储量为】:" + list.size());
full.signalAll(); // 释放锁
lock.unlock(); } public LinkedList<Object> getList() {
return list;
} public void setList(LinkedList<Object> list) {
this.list = list;
} public int getMAX_SIZE() {
return MAX_SIZE;
}
}
2.3 BlockingQueue
它是一个已经在内部实现了同步的队列，实现方式采用的是我们第2种await() / signal()方法。它可以在生成对象时指定容量大小。它用于阻塞操作的是put()和take()方法：
put()方法：类似于我们上面的生产者线程，容量达到最大时，自动阻塞。
take()方法：类似于我们上面的消费者线程，容量为0时，自动阻塞。
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;public class Storage {
// 仓库最大存储量
private final int MAX_SIZE = 100; // 仓库存储的载体
private LinkedBlockingQueue<Object> list = new LinkedBlockingQueue<Object>(100); // 生产产品
public void produce(String producer) {
// 如果仓库已满
if (list.size() == MAX_SIZE) {
System.out.println("仓库已满，【" + producer + "】： 暂时不能执行生产任务!");
} // 生产产品
try {
list.put(new Object());
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
} System.out.println("【" + producer + "】：生产了一个产品\t【现仓储量为】:" + list.size());
} // 消费产品
public void consume(String consumer) {
// 如果仓库存储量不足
if (list.size() == 0) {
System.out.println("仓库已空，【" + consumer + "】： 暂时不能执行消费任务!");
} try {
list.take();
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
System.out.println("【" + consumer + "】：消费了一个产品\t【现仓储量为】:" + list.size()); } public LinkedBlockingQueue<Object> getList() {
return list;
} public void setList(LinkedBlockingQueue<Object> list) {
this.list = list;
}
public int getMAX_SIZE() {
return MAX_SIZE;
}
}
