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Java并发编程之线程间通讯（下）-生产者与消费者

前文回顾

上一篇文章重点唠叨了java中协调线程间通信的 wait/notify 机制，它有力的保证了线程间通信的安全性以及便利性。本篇将介绍 wait/notify 机制的一个应用以及更多线程间通信的内容。

生产者-消费者模式

目光从厕所转到饭馆，一个饭馆里通常都有好多厨师以及好多服务员，这里我们把厨师称为 生产者 ，把服务员称为 消费者 ，厨师和服务员是不直接打交道的，而是在厨师做好菜之后放到窗口，服务员从窗口直接把菜端走给客人就好了，这样会极大的提升工作效率，因为省去了生产者和消费者之间的沟通成本。从java的角度看这个事情，每一个厨师就相当于一个 生产者线程 ，每一个服务员都相当于一个 消费者线程 ，而放菜的窗口就相当于一个 缓冲队列 ， 生产者线程不断把生产好的东西放到缓冲队列里，消费者线程不断从缓冲队列里取东西 ，画个图就像是这样：

Java并发编程之线程间通讯（下）-生产者与消费者

现实中放菜的窗口能放的菜数量是有限的，我们假设这个窗口只能放5个菜。那么厨师在做完菜之后需要看一下窗口是不是满了，如果窗口已经满了的话，就在一旁抽根烟 等待 ，直到有服务员来取菜的时候 通知 一下厨师窗口有了空闲，可以放菜了，这时厨师再把自己做的菜放到窗口上去炒下一个菜。从服务员的角度来说，如果窗口是空的，那么也去一旁抽根烟 等待 ，直到有厨师把菜做好了放到窗口上，并且 通知 他们一下，然后再把菜端走。

我们先用java抽象一下菜：

public class Food {

    private static int counter = 0;

    private int i;  //代表生产的第几个菜

    public Food() {
        i = ++counter;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "第" + i + "个菜";
    }
}

每次创建 Food 对象，字段 i 的值都会加1，代表这是创建的第几道菜。

为了故事的顺利进行，我们首先定义一个工具类：

class SleepUtil {

    private static Random random = new Random();

    public static void randomSleep() {
        try {
            Thread.sleep(random.nextInt(1000));
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

SleepUtil 的静态方法 randomSleep 代表当前线程随机休眠一秒内的时间。

然后我们再用java定义一下厨师：

public class Cook extends Thread {

    private Queue<Food> queue;

    public Cook(Queue<Food> queue, String name) {
        super(name);
        this.queue = queue;
    }

    @Override
    public void run() {

        while (true) {
            SleepUtil.randomSleep();    //模拟厨师炒菜时间

            Food food = new Food();
            System.out.println(getName() + " 生产了" + food);

            synchronized (queue) {
                while (queue.size() > 4) {
                    try {
                        System.out.println("队列元素超过5个，为：" + queue.size() + " " + getName() + "抽根烟等待中");
                        queue.wait();

                    } catch (InterruptedException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                }

                queue.add(food);
                queue.notifyAll();
            }
        }
    }
}

我们说每一个厨师 Cook 都是一个线程，内部维护了一个名叫 queue 的队列。在 run 方法中是一个死循环，代表不断的生产 Food 。他每生产一个 Food 后，都要判断 queue队 列中元素的个数是不是大于4，如果大于4的话，就调用 queue.wait() 等待，如果不大于4的话，就把创建号的 Food 对象放到 queue 队列中，由于可能多个线程同时访问 queue 的各个方法，所以对这段代码用 queue 对象来加锁保护。当向队列添加完刚创建的 Food 对象之后，就可以通知 queue 这个锁对象关联的等待队列中的服务员线程们可以继续端菜了。

然后我们再用java定义一下服务员：

class Waiter extends Thread {

    private Queue<Food> queue;

    public Waiter(Queue<Food> queue, String name) {
        super(name);
        this.queue = queue;
    }

    @Override
    public void run() {

        while (true) {

            Food food;
            synchronized (queue) {
                while (queue.size() < 1) {
                    try {
                        System.out.println("队列元素个数为： " + queue.size() + "，" + getName() + "抽根烟等待中");
                        queue.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                }

                food = queue.remove();
                System.out.println(getName() + " 获取到：" + food);
                queue.notifyAll();
            }

            SleepUtil.randomSleep();    //模拟服务员端菜时间
        }
    }
}

每个服务员也是一个线程，和厨师一样，都在内部维护了一个名叫 queue 的队列。在 run 方法中是一个死循环，代表不断的从队列中取走 Food 。每次在从 queue 队列中取 Food 对象的时候，都需要判断一下队列中的元素是否小于1，如果小于1的话，就调用 queue.wait() 等待，如果不小于1的话，也就是队列里有元素，就从队列里取走一个 Food 对象，并且通知与 queue 这个锁对象关联的等待队列中的厨师线程们可以继续向队列里放入 Food 对象了。

在厨师和服务员线程类都定义好了之后，我们再创建一个 Restaurant 类，来看看在餐馆里真实发生的事情： 

public class Restaurant {

    public static void main(String[] args) {

        Queue<Food> queue = new LinkedList<>();
        new Cook(queue, "1号厨师").start();
        new Cook(queue, "2号厨师").start();
        new Cook(queue, "3号厨师").start();
        new Waiter(queue, "1号服务员").start();
        new Waiter(queue, "2号服务员").start();
        new Waiter(queue, "3号服务员").start();
    }
}

我们在 Restaurant 中安排了3个厨师和3个服务员，大家执行一下这个程序，会发现在如果厨师生产的过快，厨师就会等待，如果服务员端菜速度过快，服务员就会等待。但是整个过程厨师和服务员是没有任何关系的，它们是通过队列 queue 实现了所谓的解耦。

这个过程虽然不是很复杂，但是使用中还是需要注意一些问题：

  • 我们这里的厨师和服务员使用同一个锁 queue 。

使用同一个锁是因为对 queue 的操作只能用同一个锁来保护，假设使用不同的锁，厨师线程调用 queue.add 方法，服务员线程调用 queue.remove 方法，这两个方法都不是原子操作，多线程并发执行的时候会出现不可预测的结果，所以我们使用同一个锁来保护对 queue 这个变量的操作，这一点我们在唠叨设计线程安全类的时候已经强调过了。

  • 厨师和服务员线程使用同一个锁 queue 的后果就是厨师线程和服务员线程使用的是同一个等待队列。

但是 同一时刻厨师线程和服务员线程不会同时在等待队列中 ，因为当厨师线程在 wait 的时候，队列里的元素肯定是5，此时服务员线程肯定是不会 wait 的，但是消费的过程是被锁对象 queue 保护的，所以在一个服务员线程消费了一个 Food 之后，就会调用 notifyAll 来唤醒等待队列中的厨师线程们；当消费者线程在 wait 的时候，队列里的元素肯定是0，此时厨师线程肯定是不会 wait 的，生产的过程是被锁对象 queue 保护的，所以在一个 厨师线程 生产了一个 Food 对象之后，就会调用 notifyAll 来唤醒 等待队列中的服务员线程们 。所以同一时刻 厨师线程 和 服务员线程 不会同时在等待队列中。

  • 在生产和消费过程，我们都调用了 SleepUtil.randomSleep() ;。

我们这里的生产者-消费者模型是把实际使用的场景进行了简化，真正的实际场景中生产过程和消费过程一般都会很耗时，这些耗时的操作最好不要放在同步代码块中，这样会造成别的线程的长时间阻塞。如果把生产过程和消费过程都放在同步代码块中，也就是说在一个厨师炒菜的同时不允许别的厨师炒菜，在一个服务员端菜的同时不允许别的程序员端菜，这个显然是不合理的，大家需要注意这一点。

以上就是 wait/notify 机制的一个现实应用： 生产者-消费者 模式的一个简介。

管道输入/输出流

还记得在唠叨 I/O 的时候提到的管道流么，这些管道流就是用于在不同线程之间的数据传输，一共有四种管道流： 

PipedInputStream
PipedOutputStream
PipedReader
PipedWriter

字节流和字符流的用法是差不多的，我们下边以字节流为例来唠叨一下管道流的用法。

一个线程可以持有一个 PipedInputStream 对象，这个 PipedInputStream 对象在内部维护了一个字节数组，默认大小为1024字节。它并不能单独使用，需要与另一个线程持有的一个 PipedOutputStream 建立关联， PipedOutputStream 往该字节数组中写数据， PipedInputStream 从该字节数组中读数据，从而实现两个线程的通信。

PipedInputStream

先看一下它的几个构造方法：

Java并发编程之线程间通讯（下）-生产者与消费者

它有一个特别重要的方法就是：

Java并发编程之线程间通讯（下）-生产者与消费者

PipedOutputStream

看一下它的构造方法：

Java并发编程之线程间通讯（下）-生产者与消费者

它也有一个连接到管道输入流的方法：

Java并发编程之线程间通讯（下）-生产者与消费者

使用示例

管道流的通常使用场景就是一个线程持有一个 PipedInputStream 对象，另一个线程持有一个 PipedOutputStream 对象，然后把这两个输入输出管道流通过 connect 方法建立连接，此后从管道输出流写入的数据就可以通过管道输入流读出，从而实现了两个线程间的数据交换，也就是实现了线程间的 通信 ： 

public class PipedDemo {

    public static void main(String[] args){

        PipedInputStream in = new PipedInputStream();
        PipedOutputStream out = new PipedOutputStream();

        try {
            in.connect(out);    //将输入流和输出流建立关联
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }

        new ReadThread(in).start();
        new WriteThread(out).start();
    }
}

class ReadThread extends Thread {

    private PipedInputStream in;

    public ReadThread(PipedInputStream in) {
        this.in = in;
    }

    @Override
    public void run() {

        int i = 0;
        try {
            while ((i=in.read()) != -1) {   //从输入流读取数据
                System.out.println(i);
            }
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } finally {
            try {
                in.close();
            } catch (IOException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    }
}

class WriteThread extends Thread {

    private PipedOutputStream out;

    public WriteThread(PipedOutputStream out) {
        this.out = out;
    }

    @Override
    public void run() {
        byte[] bytes = {1, 2, 3, 4, 5};
        try {
            out.write(bytes);   //向输出流写入数据
            out.flush();
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } finally {
            try {
                out.close();
            } catch (IOException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    }
}

执行结果是：

join方法

我们前边说过这个方法，比如有代码是这样：

public static void main(String[] args) {

    Thread t = new Thread(new Runnable() {

        @Override
        public void run() {
            // ... 线程t执行的具体任务
        }
    }, "t");

    t.start();

    t.join();
    System.out.println("t线程执行完了，继续执行main线程");
}

在 main 线程中调用 t.join() ，代表 main线程 需要等待 t线程 执行完成后才能继续执行。也就是说，这个 join方法 可以协调各个线程之间的执行顺序。它的实现其实很简单： 

public final synchronized void join() throws InterruptedException {
    while (isAlive()) {
        wait();
    }
}

需要注意的是， join方法 是 Thread类的成员方法 。上边例子中在 main线程 中调用 t.join() 的意思就是，使用 Thread 对象 t 作为 锁对象 ，如果 t线程 还活着，就调用 wait() ，把 main线程 放到与 t对象 关联的等待队列里，直到 t线程 执行结束，系统会主动调用一下 t.notifyAll() ，把与 t 对象关联的 等待队列 中的线程全部移出，从而 main线程 可以继续执行～

当然它还有两个指定等待时间的重载方法：

Java并发编程之线程间通讯（下）-生产者与消费者

java线程的状态

java为了方便的管理线程，对底层的操作系统的线程状态做了一些抽象封装，定义了如下的线程状态：

Java并发编程之线程间通讯（下）-生产者与消费者

需要注意的是：

  • 对于在操作系统中线程的 运行/就绪 状态，java语言中统一用 RUNNABLE 状态来表示。
  • 对于在操作系统中线程的 阻塞 状态，java语言中用 BLOCKED 、 WAITING 和 TIME_WAITING 这三个状态分别表示。
  • 也就是对 阻塞 状态进行了进一步细分。对于因为获取不到锁而产生的阻塞称为 BLOCKED 状态，因为调用 wait 或者 join 方法而产生的阻塞称为 WAITING 状态，因为调用有超时时间的 wait 、 join 或者 sleep 方法而产生的在有限时间内阻塞称为 TIME_WAITING 状态。

大家可以通过这个图来详细的看一下各个状态之间的转换过程：

Java并发编程之线程间通讯（下）-生产者与消费者

java这么划分线程的状态纯属于方便自己的管理，比如它会给在 WAITING 和 TIMED_WAITING 状态的线程分别建立不同的队列，来方便实施不同的恢复策略～所以大家也不用纠结为啥和操作系统中定义的不一样，其实操作系统中对各个状态的线程仍然有各种细分来方便管理，如果是你去设计一个语言或者一个操作系统，你也可以为了自己的方便来定义一下线程的各种状态。我们作为语言的使用者，首先还是把这些状态记住了再说哈 ～

获取线程执行状态

java中定义了一个 State 枚举类型，来表示线程的状态： 

public class Thread implements Runnable {
    // ... 为节省篇幅，省略其它方法和字段

    public enum State { 
        NEW, RUNNABLE, BLOCKED, WAITING, TIMED_WAITING, TERMINATED;
    }
}

然后又在 Thread 类里定义了一个成员方法： 

public State getState() {
    //省略了具体的实现
}

我们可以通过这个 getState 方法来获取到对应的线程状态，下边来举个例子获取上边列举的6种状态，为了故事的顺利发展，我们先定义一个工具类： 

public class LockUtil {

    public static void sleep(long mill) {
        try {
            Thread.sleep(mill);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public static void wait(Object obj) {
        try {
            obj.wait();
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

因为每次调用 sleep 和 wait 操作的时候都会有 InterruptedException 的异常说明，我们都需要 try...catch 一下，会导致代码结构会很混乱，所以我们写了个工具类来把 InterruptedException 的异常转为运行时异常。注意，我们这里转为运行时异常只是为了代码结构清晰，真实情况需要认真处理 InterruptedException 的异常说明，具体怎么使用我们后边会详细唠叨。

然后接着写具体的获取状态的代码：

public class ThreadStateDemo {

    private static Object lock = new Object();  //锁对象

    public static void main(String[] args) {

        Thread t = new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {

                double d = 0.1;
                int i = 0;
                while (i++ < 100000) {  //模仿一个耗时操作
                    d = d*0.3d;
                }

                SleepUtil.sleep(2000L);    //休眠2秒钟
                synchronized (lock) {
                    LockUtil.wait(lock);
                }
                synchronized (lock) {   //尝试获取lock锁

                }
            }
        }, "t");

        System.out.println("初始状态：" + t.getState());
        t.start();
        System.out.println("运行一个耗时操作时的状态：" + t.getState());

        SleepUtil.sleep(1000L);

        System.out.println("休眠时的状态：" + t.getState());


        SleepUtil.sleep(2000L);

        System.out.println("wait的状态：" + t.getState());
        synchronized (lock) {
            lock.notifyAll();
        }
        System.out.println("被notify后的状态：" + t.getState());

        synchronized (lock) {
            SleepUtil.sleep(1000L); //调用sleep方法不会释放锁
            System.out.println("因为获取锁而阻塞的状态：" + t.getState());
        }
    }
}

我们在程序里用了一系列的 sleep 方法来控制程序的执行顺序， 这只是为了简单的说明线程的各个状态的产生原因，在真实环境中是不允许使用sleep方法来控制线程间的执行顺序的，应该使用同步或者我们上边介绍的一系列线程通信的方式。 这个程序的执行结果是： 

初始状态：NEW
运行一个耗时操作时的状态：RUNNABLE
休眠时的状态：TIMED_WAITING
wait的状态：WAITING
被notify后的状态：BLOCKED
因为获取锁而阻塞的状态：TERMINATED
线程的各个状态都获取到了哈。

总结

  1. 基于 wait/notify 机制的生产者-消费者模式很重要，务必认真看几遍～
  2. 一个线程可以持有一个 PipedInputStream 对象，这个 PipedInputStream 对象在内部维护了一个字节数组，默认大小为1024字节。它并不能单独使用，需要与另一个线程持有的一个 PipedOutputStream 建立关联， PipedOutputStream 往该字节数组中写数据， PipedInputStream 从该字节数组中读数据，从而实现两个线程的通信。
  3. 使用 join 方法可以实现一个线程在另一个线程执行完毕后才继续执行的功能。
  4. java为了方便的管理线程，对底层的操作系统的线程状态做了一些抽象封装，定义了 NEW 、 RUNNABLE 、 BLOCKED 、 WAITING 、 TIME_WAITING 、 TERMINATED 这些线程状态，与操作系统中的线程有一些区别：
  • 对于在操作系统中线程的 运行/就绪 状态，java语言中统一用 RUNNABLE 状态来表示。
  • 对于在操作系统中线程的 阻塞 状态，java语言中用 BLOCKED 、 WAITING 和 TIME_WAITING 这三个状态分别表示。

题外话

写文章挺累的，有时候你觉得阅读挺流畅的，那其实是背后无数次修改的结果。如果你觉得不错请帮忙转发一下，万分感谢～

原文  https://segmentfault.com/a/1190000018911848
正文到此结束
所属分类： Java 编程技术

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