由生产者/消费者问题看JAVA多线程

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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问题，它的描述是有一块生产者和消费者共享的有界缓冲区，生产者往缓冲区放入产品，消费者从缓冲区取走产品，这个过程可以无休止的执行，不能因缓冲区满生产者放不进产品而终止，也不能因缓冲区空消费者无产品可取而终止。

解决生产者消费者问题的方法有两种，一种是采用某种机制保持生产者和消费者之间的同步，一种是在生产者和消费者之间建立一个管道。前一种有较高的效率并且可控制性较好，比较常用，后一种由于管道缓冲区不易控制及被传输数据对象不易封装等原因，比较少用。

同步问题的核心在于，CPU是按时间片轮询的方式执行程序，我们无法知道某一个线程是否被执行、是否被抢占、是否结束等，因此生产者完全可能当缓冲区已满的时候还在放入产品，消费者也完全可能当缓冲区为空时还在取出产品。

现在同步问题的解决方法一般是采用信号或者加锁机制，即生产者线程当缓冲区已满时放弃自己的执行权，进入等待状态，并通知消费者线程执行。消费者线程当缓冲区已空时放弃自己的执行权，进入等待状态，并通知生产者线程执行。这样一来就保持了线程的同步，并避免了线程间互相等待而进入死锁状态。

JAVA语言提供了独立于平台的线程机制，保持了”write once, run anywhere”的特色。同时也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，其中三个是同步方法，一个是管道方法。

1. 方法wait()/notify()

2. 方法await()/signal()

3. 阻塞队列方法BlockingQueue

4. 管道方法PipedInputStream/PipedOutputStream

下面我们看各个方法的实现：

1. 方法wait()/notify()

wait()和notify()是根类Object的两个方法，也就意味着所有的JAVA类都会具有这个两个方法，为什么会被这样设计呢？我们可以认为所有的对象默认都具有一个锁，虽然我们看不到，也没有办法直接操作，但它是存在的。

wait()方法表示：当缓冲区已满或空时，生产者或消费者线程停止自己的执行，放弃锁，使自己处于等待状态，让另一个线程开始执行；

notify()方法表示：当生产者或消费者对缓冲区放入或取出一个产品时，向另一个线程发出可执行通知，同时放弃锁，使自己处于等待状态。

下面是一个例子代码：

import java.util.LinkedList;
import java.util.List;
import java.util.Random;
//使用wait和notify来实现生产者和消费者的关系
public class Sycn1 {
private List<Integer> list = new LinkedList<Integer>();
private int MaxNum = 10;
public static void main(String[] args) {
new Sycn1().start();
}
private void start(){
new Product().start();
new Consumer().start();
}
private static int getInt(){
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}
return new Random().nextInt(9)+1;
}
class Product extends Thread{
@Override
public void run() {
while(true){
synchronized(list){
while(list.size() == MaxNum){//使用while比使用if要安全点,因为可能消费异常但notify
try {
System.out.println("生产已满.等待消费.....");
list.wait();
} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}
}
int i = getInt();
if(list.add(i)){
System.out.println("生产元素为:"+i+"#当前元素列表:"+list);
list.notify();
}
}
}
}
}
class Consumer extends Thread{
@Override
public void run() {
while(true){
synchronized(list){
while(list.size()==0){
try {
System.out.println("消费已空.等待生产.....");
list.wait();
} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}
}
int i = list.remove(list.size()-1);
System.out.println("消费元素为:"+i+"#当前元素列表:"+list);
list.notify();
}
}
}
}
/**
* 运行结果:
*  生产元素为:3#当前元素列表:[3]
生产元素为:9#当前元素列表:[3, 9]
生产元素为:9#当前元素列表:[3, 9, 9]
消费元素为:9#当前元素列表:[3, 9]
消费元素为:9#当前元素列表:[3]
消费元素为:3#当前元素列表:[]
消费已空.等待生产.....
生产元素为:3#当前元素列表:[3]
消费元素为:3#当前元素列表:[]
消费已空.等待生产.....
生产元素为:2#当前元素列表:[2]
*/
}

2. 方法await()/signal()

在JDK5.0以后，JAVA提供了新的更加健壮的线程处理机制，包括了同步、锁定、线程池等等，它们可以实现更小粒度上的控制。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()/notify()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。

下面是一个例子代码：

import java.util.LinkedList;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class Sycn2 {
private Lock lock = new ReentrantLock();
private Condition full = lock.newCondition();
private Condition empty = lock.newCondition();
private int MaxNum = 5;
private LinkedList<Integer> list = new LinkedList<Integer>();
public static void main(String[] args) {
new Sycn2().start();
}
public void start(){
new Product().start();
new Consumer().start();
}
private static void mysleep(){
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
class Product extends Thread{
@Override
public void run(){
while(true){
try{
lock.lock();
while(list.size() == MaxNum){
System.out.println("product---await----");
full.await();
}
int rand = new Random().nextInt(100);
list.add(rand);
System.out.println("Product@"+list+"#"+rand);
empty.signal();
mysleep();
}catch(Exception e){
e.printStackTrace();
}finally{
lock.unlock();
}
}
}
}
class Consumer extends Thread{
@Override
public void run(){
while(true){
try{
lock.lock();
while(list.size() == 0){
System.out.println("consumer---await----");
empty.await();
}
System.out.println("Consumer@"+list+"#"+list.removeLast());
full.signal();
mysleep();
}catch(Exception e){
e.printStackTrace();
}finally{
lock.unlock();
}
}
}
}
/**
* 运行结果：
Product@[60]#60
Product@[60, 58]#58
Product@[60, 58, 81]#81
Product@[60, 58, 81, 41]#41
Product@[60, 58, 81, 41, 0]#0
product---await----
Consumer@[60, 58, 81, 41, 0]#0
Consumer@[60, 58, 81, 41]#41
Consumer@[60, 58, 81]#81
Consumer@[60, 58]#58
Consumer@[60]#60
consumer---await----
Product@[27]#27
*/
}

3. 阻塞队列方法BlockingQueue

注：BlockingQueue 可以安全地与多个生产者和多个使用者一起使用。

BlockingQueue也是JDK5.0的一部分，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的第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。

下面是一个例子代码：

import java.util.concurrent.*;

public class Sycn3{
private LinkedBlockingQueue<Object> queue = new LinkedBlockingQueue<Object>(10);
private int MAX = 10;

public Sycn3(){
}

public void start(){
new Producer().start();
new Consumer().start();
}

public static void main(String[] args) throws Exception{
Sycn3 s3 = new Sycn3();
s3.start();
}

class Producer extends Thread{
public void run(){
while(true){
//synchronized(this){
try{
if(queue.size() == MAX)
System.out.println("warning: it's full!");
Object o = new Object();
queue.put(o);
System.out.println("Producer: " + o);
}catch(InterruptedException e){
System.out.println("producer is interrupted!");
}
//}
}
}
}
class Consumer extends Thread{
public void run(){
while(true){
//synchronized(this){
try{
if(queue.size() == 0)
System.out.println("warning: it's empty!");
Object o = queue.take();
System.out.println("Consumer: " + o);
}catch(InterruptedException e){
System.out.println("producer is interrupted!");
}
//}
}
}
}
}

你发现这个例子中的问题了吗？

如果没有，我建议你运行一下这段代码，仔细观察它的输出，是不是有下面这个样子的？为什么会这样呢？

…

warning: it's full!

Producer: java.lang.object@4526e2a

…

你可能会说这是因为put()和System.out.println()之间没有同步造成的，我也这样认为，我也这样认为，但是你把run()中的synchronized前面的注释去掉，重新编译运行，有改观吗？没有。为什么？

这是因为，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，所以有了上面的输出。run()中的synchronized其实并没有起什么作用。

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。

对于这种多重嵌套同步的问题，以后再谈吧，欢迎大家讨论啊！

4. 管道方法PipedInputStream/PipedOutputStream

这个类位于java.io包中，是解决同步问题的最简单的办法，一个线程将数据写入管道，另一个线程从管道读取数据，这样便构成了一种生产者/消费者的缓冲区编程模式。

管道流可以用于线程间通信，当程序中存在多线程，并且某个线程的运行需要得到另一个线程的信息时， 可以用管道流作为媒介来传输信息。管道流属于线程间通信的一种

下面是一个例子代码，在这个代码我没有使用Object对象，而是简单的读写字节值，这是因为PipedInputStream/PipedOutputStream不允许传输对象，这是JAVA本身的一个bug,具体的大家可以看sun的解释：http://bugs.sun.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=4131126

import java.io.IOException;
import java.io.PipedInputStream;
import java.io.PipedOutputStream;
import java.util.Random;
public class Sycn4 {
private PipedOutputStream pos;
private PipedInputStream pis;
public Sycn4(){
pos = new PipedOutputStream();
try {
pis = new PipedInputStream(pos);
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String[] args) {
new Sycn4().start();
}
public void start(){
new Product().start();
new Consumer().start();
}
private static void mysleep(){
try {
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
class Product extends Thread{
@Override
public void run(){
try {
while(true){
int rand = new Random().nextInt(100);
pos.write(rand);
pos.flush();
System.out.println("product@"+rand);
mysleep();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}finally{
try {
pos.close();
pis.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
class Consumer extends Thread{
@Override
public void run(){
try {
while(true){
System.out.println("Consumer@"+pis.read());
mysleep();
}
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}finally{
try {
pos.close();
pis.close();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
/**
* 运行结果：
*  product@37
Consumer@37
product@98
Consumer@98
product@20
Consumer@20
product@70
Consumer@70
*/
}

5.使用信号量的方式实现，转:http://blog.csdn.net/a442180673/article/details/7309954

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.Semaphore;
/**
* 生产者与消费者的问题
*
*/
class Signs {
static Semaphore empty = new Semaphore(10); // 信号量：记录仓库空的位置，代表可以生产的最大个数
static Semaphore full = new Semaphore(0); // 信号量：记录仓库满的位置
static Semaphore mutex = new Semaphore(1); // 临界区互斥访问信号量， 相当于互斥锁。
}

// 生产一个产品
class Producer implements Runnable {
Random r = new Random(1000);

public void run() {
try {
while (true) {
Signs.empty.acquire(); // 递减仓库空信号量
Signs.mutex.acquire(); // 进入临界区
SemaphoreTest.COUNT++;
System.out.println("生产一个产品放入仓库,剩余：" + SemaphoreTest.COUNT);

Signs.mutex.release(); // 离开临界区
Signs.full.release(); // 递增仓库满信号量
Thread.currentThread().sleep(100);
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}

// 消费一个产品
class Consumer implements Runnable {

public void run() {
try {
while (true) {
Signs.full.acquire(); // 递减仓库满信号量
Signs.mutex.acquire();
SemaphoreTest.COUNT--;
System.out.println("C1拿出一个产品消费，剩余：" + SemaphoreTest.COUNT);

Signs.mutex.release();
Signs.empty.release(); // 递增仓库空信号量
Thread.currentThread().sleep((1000));
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}

class Consumer2 implements Runnable {

public void run() {
try {
while (true) {
Signs.full.acquire(); // 递减仓库满信号量
Signs.mutex.acquire();
SemaphoreTest.COUNT--;
System.out.println("C2拿出一个产品消费，剩余：" + SemaphoreTest.COUNT);

Signs.mutex.release();
Signs.empty.release(); // 递增仓库空信号量
Thread.currentThread().sleep((500));
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}

public class SemaphoreTest {
public static int COUNT = 0;
// 产品数目
public static void main(String[] args) {
new Thread(new Producer()).start();
new Thread(new Consumer()).start();
new Thread(new Consumer2()).start();
}
/**
* 运行结果：
*  生产一个产品放入仓库,剩余：1
C2拿出一个产品消费，剩余：0
生产一个产品放入仓库,剩余：1
C1拿出一个产品消费，剩余：0
生产一个产品放入仓库,剩余：1
生产一个产品放入仓库,剩余：2
生产一个产品放入仓库,剩余：3
C2拿出一个产品消费，剩余：2
生产一个产品放入仓库,剩余：3
生产一个产品放入仓库,剩余：4
生产一个产品放入仓库,剩余：5
生产一个产品放入仓库,剩余：6
生产一个产品放入仓库,剩余：7
C2拿出一个产品消费，剩余：6
生产一个产品放入仓库,剩余：7
C1拿出一个产品消费，剩余：6
生产一个产品放入仓库,剩余：7
生产一个产品放入仓库,剩余：8
生产一个产品放入仓库,剩余：9
生产一个产品放入仓库,剩余：10
C2拿出一个产品消费，剩余：9
*/
}