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【转】生产者/消费者问题的多种Java实现方式

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  • JAVA
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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。

1wait() / notify()方法

2await() / signal()方法

3BlockingQueue阻塞队列方法

4PipedInputStream / PipedOutputStream

本文只介绍最常用的前三种,第四种暂不做讨论,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。

光看文字可能不太好理解,咱来段代码就明白了:

 

import java.util.LinkedList;  
  
/** 
 * 仓库类Storage实现缓冲区 
 */  
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  
    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  
    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;  
    }  
}  
/** 
 * 生产者类Producer继承线程类Thread 
 */  
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;  
    }  
}  
/** 
 * 消费者类Consumer继承线程类Thread 
 */  
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;  
    }  
}  
/** 
 * 测试类Test 
 */  
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();  
    }  
}  
【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】:30   【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】:30   【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  
【要消费的产品数量】:50   【库存量】:20    暂时不能执行生产任务!  
【要消费的产品数量】:30   【库存量】:20    暂时不能执行生产任务!  
【已经消费产品数】:20    【现仓储量为】:0  
【已经生产产品数】:10    【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】:80    【现仓储量为】:100  
【要生产的产品数量】:10   【库存量】:100   暂时不能执行生产任务!  
【已经消费产品数】:30    【现仓储量为】:70  
【已经消费产品数】:50    【现仓储量为】:20  
【已经生产产品数】:10    【现仓储量为】:30  
【已经生产产品数】:10    【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);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

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()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:

 

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 
 */  
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;  
    }  
}  
【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】:30   【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  
【已经生产产品数】:10    【现仓储量为】:20  
【要消费的产品数量】:50   【库存量】:20    暂时不能执行生产任务!  
【要消费的产品数量】:30   【库存量】:20    暂时不能执行生产任务!  
【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  
【要消费的产品数量】:30   【库存量】:20    暂时不能执行生产任务!  
【已经生产产品数】:80    【现仓储量为】:100  
【要生产的产品数量】:10   【库存量】:100   暂时不能执行生产任务!  
【已经消费产品数】:50    【现仓储量为】:50  
【已经生产产品数】:10    【现仓储量为】:60  
【已经消费产品数】:30    【现仓储量为】:30  
【已经生产产品数】:10    【现仓储量为】:40  

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。这样我们就知道为神马我要在Storage类中定义public void produce(int num);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。无意之中,我们好像使用了某种设计模式,具体是啥我忘记了,啊哈哈,等我想起来再告诉大家~

 

 

三、BlockingQueue阻塞队列方法

BlockingQueueJDK5.0的新增内容,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2await() / 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()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。

关于BlockingQueue的内容网上有很多,大家可以自己搜,我在这不多介绍。下面直接看代码,跟以往一样,我们只需要更改仓库类Storage的代码即可:

 

import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;  
  
/** 
 * 仓库类Storage实现缓冲区 
 */  
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num个产品  
    public void produce(int num)  
    {  
        // 如果仓库剩余容量为0  
        if (list.size() == MAX_SIZE)  
        {  
            System.out.println("【库存量】:" + MAX_SIZE + "/t暂时不能执行生产任务!");  
        }  
        // 生产条件满足情况下,生产num个产品  
        for (int i = 1; i <= num; ++i)  
        {  
            try  
            {  
                // 放入产品,自动阻塞  
                list.put(new Object());  
            }  
            catch (InterruptedException e)  
            {  
                e.printStackTrace();  
            }  
  
            System.out.println("【现仓储量为】:" + list.size());  
        }  
    }  
    // 消费num个产品  
    public void consume(int num)  
    {  
        // 如果仓库存储量不足  
        if (list.size() == 0)  
        {  
            System.out.println("【库存量】:0/t暂时不能执行生产任务!");  
        }  
        // 消费条件满足情况下,消费num个产品  
        for (int i = 1; i <= num; ++i)  
        {  
            try  
            {  
                // 消费产品,自动阻塞  
                list.take();  
            }  
            catch (InterruptedException e)  
            {  
                e.printStackTrace();  
            }  
        }  
        System.out.println("【现仓储量为】:" + list.size());  
    }  
  
    // set/get方法  
    public LinkedBlockingQueue<Object> getList()  
    {  
        return list;  
    }  
    public void setList(LinkedBlockingQueue<Object> list)  
    {  
        this.list = list;  
    }  
    public int getMAX_SIZE()  
    {  
        return MAX_SIZE;  
    }  
}  
【库存量】:0 暂时不能执行生产任务!  
【库存量】:0 暂时不能执行生产任务!  
【现仓储量为】:1  
【现仓储量为】:1  
【现仓储量为】:3  
【现仓储量为】:4  
【现仓储量为】:5  
【现仓储量为】:6  
【现仓储量为】:7  
【现仓储量为】:8  
【现仓储量为】:9  
【现仓储量为】:10  
【现仓储量为】:11  
【现仓储量为】:1  
【现仓储量为】:2  
【现仓储量为】:13  
【现仓储量为】:14  
【现仓储量为】:17  
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当然,你会发现这时对于public void produce(int num);public void consume(int num);方法业务逻辑上的实现跟前面两个例子不太一样,没关系,这个例子只是为了说明BlockingQueue阻塞队列的使用。

 

有时使用BlockingQueue可能会出现put()System.out.println()输出不匹配的情况,这是由于它们之间没有同步造成的。当缓冲区已满,生产者在put()操作时,put()内部调用了await()方法,放弃了线程的执行,然后消费者线程执行,调用take()方法,take()内部调用了signal()方法,通知生产者线程可以执行,致使在消费者的println()还没运行的情况下生产者的println()先被执行,所以有了输出不匹配的情况。

对于BlockingQueue大家可以放心使用,这可不是它的问题,只是在它和别的对象之间的同步有问题。

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