Java多线程系列--“基础篇”11之 生产消费者问题

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概要

本章，会对“生产/消费者问题”进行讨论。

1. 生产/消费者模型

　　生产/消费者问题是个非常典型的多线程问题，涉及到的对象包括“生产者”、“消费者”、“仓库”和“产品”。他们之间的关系如下：

生产者仅仅在仓储未满时候生产，仓满则停止生产。

消费者仅仅在仓储有产品时候才能消费，仓空则等待。

当消费者发现仓储没产品可消费时候会通知生产者生产。

生产者在生产出可消费产品时候，应该通知等待的消费者去消费。

2. 生产/消费者实现

下面通过wait()/notify()方式实现该模型(后面在学习了线程池相关内容之后，再通过其它方式实现生产/消费者模型)。源码如下：

示例

// Demo_1.java
// 仓库
class Depot_1 {
private int capacity;    // 仓库的容量
private int size;        // 仓库的实际数量

public Depot_1(int capacity) {
this.capacity = capacity;
this.size = 0;
}

public synchronized void produce(int val) {
try {
// left 表示“想要生产的数量”(有可能生产量太多，需多次生产)
int left = val;
while (left > 0) {
// 库存已满时，等待“消费者”消费产品。
while (size >= capacity)
wait();
// 获取“实际生产的数量”(即库存中新增的数量)
// 如果“库存”+“想要生产的数量”>“总的容量”，则“实际增量”=“总的容量”-“当前容量”。(此时填满仓库)
// 否则“实际增量”=“想要生产的数量”
int inc = (size + left) > capacity ? (capacity - size) : left;
size += inc; //把当次生产的实际数量加入到仓库的实际数量中（即填满仓库）
left -= inc; //要求生产的数量 减去 实际生产的数量。等待下一次被唤醒继续生产未完成的生产
System.out.printf("%s produce(%3d) --> left=%3d, inc=%3d, size=%3d\n",
Thread.currentThread().getName(), val, left, inc, size);
// 通知“消费者”可以消费了。
notifyAll();
}
} catch (InterruptedException e) {
}
}

public synchronized void consume(int val) {
try {
// left 表示“客户要消费数量”(有可能消费量太大，库存不够，需多此消费)
int left = val;
while (left > 0) {
// 库存为0时，等待“生产者”生产产品。
while (size <= 0)
wait();
// 获取“实际消费的数量”(即库存中实际减少的数量)
// 如果“库存”<“客户要消费的数量”，则“实际消费量”=“库存”；
// 否则，“实际消费量”=“客户要消费的数量”。
int dec = (size < left) ? size : left;
size -= dec;
left -= dec;
System.out.printf("%s consume(%3d) <-- left=%3d, dec=%3d, size=%3d\n",
Thread.currentThread().getName(), val, left, dec, size);
notifyAll();
}
} catch (InterruptedException e) {
}
}

public String toString() {
return "capacity:" + capacity + ", actual size:" + size;
}
}

// 生产者
class Producer_1 {
private Depot_1 depot;

public Producer_1(Depot_1 depot) {
this.depot = depot;
}

// 消费产品：新建一个线程向仓库中生产产品。
public void produce(final int val) {
new Thread() {
public void run() {
depot.produce(val);
}
}.start();
}
}

// 消费者
class Customer_1 {
private Depot_1 depot;

public Customer_1(Depot_1 depot) {
this.depot = depot;
}

// 消费产品：新建一个线程从仓库中消费产品。
public void consume(final int val) {
new Thread() {
public void run() {
depot.consume(val);
}
}.start();
}
}

public class Demo_1 {
public static void main(String[] args) {
Depot_1 mDepot = new Depot_1(100);
Producer_1 mPro = new Producer_1(mDepot);
Customer_1 mCus = new Customer_1(mDepot);

mPro.produce(60);
mPro.produce(120);
mCus.consume(90);
mCus.consume(150);
mPro.produce(110);
}
}

运行结果(某一次)

Thread-0 produce( 60) --> left=  0, inc= 60, size= 60
Thread-3 consume(150) <-- left= 90, dec= 60, size=  0
Thread-4 produce(110) --> left= 10, inc=100, size=100
Thread-2 consume( 90) <-- left=  0, dec= 90, size= 10
Thread-1 produce(120) --> left= 30, inc= 90, size=100
Thread-3 consume(150) <-- left=  0, dec= 90, size= 10
Thread-4 produce(110) --> left=  0, inc= 10, size= 20
Thread-1 produce(120) --> left=  0, inc= 30, size= 50

结果说明

Producer是“生产者”类，它与“仓库(depot)”关联。当调用“生产者”的produce()方法时，它会新建一个线程并向“仓库”中生产产品。

Customer是“消费者”类，它与“仓库(depot)”关联。当调用“消费者”的consume()方法时，它会新建一个线程并消费“仓库”中的产品。

Depot是“仓库”类，仓库中记录“仓库的容量(capacity)”以及“仓库中当前产品数目(size)”。

“仓库”类的生产方法produce()和消费方法consume()方法都是synchronized方法，进入synchronized方法体，意味着这个线程获取到了该“仓库”对象的同步锁。这也就是说，同一时间，生产者和消费者线程只能有一个能运行。通过同步锁，实现了对“残酷”的互斥访问。

　　对于生产方法produce()而言：当仓库满时，生产者线程等待，需要等待消费者消费产品之后，生产线程才能生产；生产者线程生产完产品之后，会通过notifyAll()唤醒同步锁上的所有线程，包括“消费者线程”，即我们所说的“通知消费者进行消费”。

　　对于消费方法consume()而言：当仓库为空时，消费者线程等待，需要等待生产者生产产品之后，消费者线程才能消费；消费者线程消费完产品之后，会通过notifyAll()唤醒同步锁上的所有线程，包括“生产者线程”，即我们所说的“通知生产者进行生产”。

结果解释下：

　　Thread-0要求生产60，仓库容量是100，完全生产，自己挂掉

　　假设现在Thread-4抢到了cpu资源，进去一看容量已经满了等待，自己等待了。（一直轮到消费者，开始执行）

　　Thread-3要求消费150个，但是只有60个，消费60个之后就唤醒其他线程，但是请注意：不会释放自己的锁，继续循环，发现仓库中没有容量了，自己等待，让其他线程执行。

　　Thread-4抢到资源了，要求生产110个，现在仓库中有0个商品，所以生产了100个，留下10个，在以后轮到自己的时候再生产。

后面的以此类推

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