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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：

java 生产者消费者问题

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

import java.util.LinkedList;   /**   * 仓库类Storage实现缓冲区   *    * @author zcr   */   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num个产品   * @param num 生产产品的数量   */  public void produce(int num)    {     // 同步代码段     synchronized (list)     {      // 如果仓库剩余容量不足      while (list.size() + num > MAX_SIZE)      {       System.out.println("【要生产的产品数量】:" + num + " /t 【库存量】:"         + list.size() + "/t 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();       }      }      // 生产条件满足情况下，生产num个产品      for (int i = 1; i <= num; ++i)      {       list.add(new Object());      }      System.out.println("【已经生产产品数】:" + num + "/t 【现仓储量为】:" + list.size());      list.notifyAll();     }    }    /**   * 消费num个产品   * @param num 消费产品数量   */  public void consume(int num)    {     // 同步代码段     synchronized (list)     {      // 如果仓库存储量不足      while (list.size() < num)      {       System.out.println("【要消费的产品数量】:" + num + " /t【库存量】:"         + list.size() + " /t 暂时不能执行生产任务!");       try       {        // 由于条件不满足，消费阻塞        list.wait();       }       catch (InterruptedException e)       {        e.printStackTrace();       }      }      // 消费条件满足情况下，消费num个产品      for (int i = 1; i <= num; ++i)      {       list.remove();      }      System.out.println("【已经消费产品数】:" + num + " /t 【现仓储量为】:" + list.size());      list.notifyAll();     }    }    // get/set方法    public LinkedList<Object> getList()    {     return list;    }    public void setList(LinkedList<Object> list)    {     this.list = list;    }    public int getMAX_SIZE()    {     return MAX_SIZE;    }   }

2、生产者

/**   * 生产者类Producer继承线程类Thread   *    *    * @author zcr  *    */   public class Producer extends Thread   {       // 每次生产的产品数量       private int num;          // 所在放置的仓库       private Storage storage;          // 构造函数，设置仓库       public Producer(Storage storage)       {           this.storage = storage;       }          // 线程run函数       public void run()       {           produce(num);       }          // 调用仓库Storage的生产函数       public void produce(int num)       {           storage.produce(num);       }          // get/set方法       public int getNum()       {           return num;       }          public void setNum(int num)       {           this.num = num;       }          public Storage getStorage()       {           return storage;       }          public void setStorage(Storage storage)       {           this.storage = storage;       }   }

3、消费者

/**   * 消费者类Consumer继承线程类Thread   *    *    * @author zcr  *    */   public class Consumer extends Thread   {       // 每次消费的产品数量       private int num;          // 所在放置的仓库       private Storage storage;          // 构造函数，设置仓库       public Consumer(Storage storage)       {           this.storage = storage;       }          // 线程run函数       public void run()       {           consume(num);       }          // 调用仓库Storage的生产函数       public void consume(int num)       {           storage.consume(num);       }          // get/set方法       public int getNum()       {           return num;       }          public void setNum(int num)       {           this.num = num;       }          public Storage getStorage()       {           return storage;       }          public void setStorage(Storage storage)       {           this.storage = storage;       }   }

4、测试类

/**   * 测试类Test   * @author zcr  *    */   public class Test   {       public static void main(String[] args)       {      // 仓库对象      Storage storage = new Storage();      // 生产者对象      Producer p1 = new Producer(storage);      Producer p2 = new Producer(storage);      Producer p3 = new Producer(storage);      Producer p4 = new Producer(storage);      Producer p5 = new Producer(storage);      Producer p6 = new Producer(storage);      Producer p7 = new Producer(storage);      // 消费者对象      Consumer c1 = new Consumer(storage);      Consumer c2 = new Consumer(storage);      Consumer c3 = new Consumer(storage);      // 设置生产者产品生产数量      p1.setNum(10);      p2.setNum(10);      p3.setNum(10);      p4.setNum(10);      p5.setNum(10);      p6.setNum(10);      p7.setNum(80);      // 设置消费者产品消费数量      c1.setNum(50);      c2.setNum(20);      c3.setNum(30);      // 线程开始执行      c1.start();      c2.start();      c3.start();      p1.start();      p2.start();      p3.start();      p4.start();      p5.start();      p6.start();      p7.start();       }   }

5、结果：

【要消费的产品数量】:50     【库存量】:0      暂时不能执行生产任务! 【要消费的产品数量】:20     【库存量】:0      暂时不能执行生产任务! 【已经生产产品数】:10     【现仓储量为】:10 【要消费的产品数量】:20     【库存量】:10      暂时不能执行生产任务! 【要消费的产品数量】:50     【库存量】:10      暂时不能执行生产任务! 【已经生产产品数】:10     【现仓储量为】:20 【已经生产产品数】:10     【现仓储量为】:30 【要消费的产品数量】:50     【库存量】:30      暂时不能执行生产任务! 【已经消费产品数】:20      【现仓储量为】:10 【已经生产产品数】:10     【现仓储量为】:20 【已经生产产品数】:10     【现仓储量为】:30 【要消费的产品数量】:50     【库存量】:30      暂时不能执行生产任务! 【已经生产产品数】:10     【现仓储量为】:40 【已经消费产品数】:30      【现仓储量为】:10 【要消费的产品数量】:50     【库存量】:10      暂时不能执行生产任务! 【已经生产产品数】:80     【现仓储量为】:90 【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

import java.util.LinkedList; import java.util.concurrent.locks.Condition; import java.util.concurrent.locks.Lock; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; /**  * 仓库类Storage实现缓冲区  *   *   * @author MONKEY.D.MENG 2011-03-15  *   */ 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num个产品  public void produce(int num)  {   // 获得锁   lock.lock();   // 如果仓库剩余容量不足   while (list.size() + num > MAX_SIZE)   {    System.out.println("【要生产的产品数量】:" + num + "/t【库存量】:" + list.size()      + "/t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();    }   }   // 生产条件满足情况下，生产num个产品   for (int i = 1; i <= num; ++i)   {    list.add(new Object());   }   System.out.println("【已经生产产品数】:" + num + "/t【现仓储量为】:" + list.size());   // 唤醒其他所有线程   full.signalAll();   empty.signalAll();   // 释放锁   lock.unlock();  }  // 消费num个产品  public void consume(int num)  {   // 获得锁   lock.lock();   // 如果仓库存储量不足   while (list.size() < num)   {    System.out.println("【要消费的产品数量】:" + num + "/t【库存量】:" + list.size()      + "/t暂时不能执行生产任务!");    try    {     // 由于条件不满足，消费阻塞     empty.await();    }    catch (InterruptedException e)    {     e.printStackTrace();    }   }   // 消费条件满足情况下，消费num个产品   for (int i = 1; i <= num; ++i)   {    list.remove();   }   System.out.println("【已经消费产品数】:" + num + "/t【现仓储量为】:" + list.size());   // 唤醒其他所有线程   full.signalAll();   empty.signalAll();   // 释放锁   lock.unlock();  }  // set/get方法  public int getMAX_SIZE()  {   return MAX_SIZE;  }  public LinkedList<Object> getList()  {   return list;  }  public void setList(LinkedList<Object> list)  {   this.list = list;  } }

结果：

【要消费的产品数量】:50/t【库存量】:0/t暂时不能执行生产任务! 【已经生产产品数】:10/t【现仓储量为】:10 【已经生产产品数】:10/t【现仓储量为】:20 【要消费的产品数量】:30/t【库存量】:20/t暂时不能执行生产任务! 【已经消费产品数】:20/t【现仓储量为】:0 【已经生产产品数】:10/t【现仓储量为】:10 【已经生产产品数】:10/t【现仓储量为】:20 【要消费的产品数量】:50/t【库存量】:20/t暂时不能执行生产任务! 【已经生产产品数】:10/t【现仓储量为】:30 【已经生产产品数】:10/t【现仓储量为】:40 【要生产的产品数量】:80/t【库存量】:40/t暂时不能执行生产任务! 【已经消费产品数】:30/t【现仓储量为】:10 【要消费的产品数量】:50/t【库存量】:10/t暂时不能执行生产任务! 【已经生产产品数】:80/t【现仓储量为】:90 【已经消费产品数】:50/t【现仓储量为】:40

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。