生产者/消费者问题的多种Java实现方式
2015-06-19 16:18
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生产者/消费者问题的多种Java实现方式
实质上，很多后台服务程序并发控制的基本原理都可以归纳为生产者/消费者模式，而这是恰恰是在本科操作系统课堂上老师反复讲解，而我们却视而不见不以为然的。在博文《一种面向作业流(工作流)的轻量级可复用的异步流水开发框架的设计与实现》中将介绍一种生产者/消费者模式的具体应用。
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：
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。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。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
BlockingQueue是JDK5.0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：
当然，你会发现这时对于public void produce(int num);和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()和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。
对于Java实现生产者/消费者问题的方法先总结到这里面吧，过几天实现一下C++版本的，接下来要马上着手于基于生产者/消费者模式的《异步工作流服务框架的设计与实现》，请持续关注本博客。
实质上，很多后台服务程序并发控制的基本原理都可以归纳为生产者/消费者模式，而这是恰恰是在本科操作系统课堂上老师反复讲解，而我们却视而不见不以为然的。在博文《一种面向作业流(工作流)的轻量级可复用的异步流水开发框架的设计与实现》中将介绍一种生产者/消费者模式的具体应用。
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
*
* Email:530025983@qq.com
*
* @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>();
// 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
*
* Email:530025983@qq.com
*
* @author MONKEY.D.MENG 2011-03-15
*
*/
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
*
* Email:530025983@qq.com
*
* @author MONKEY.D.MENG 2011-03-15
*
*/
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
*
* Email:530025983@qq.com
*
* @author MONKEY.D.MENG 2011-03-15
*
*/
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);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：
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
*
* Email:530025983@qq.com
*
* @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;
}
}
【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);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。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
BlockingQueue是JDK5.0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
*
* Email:530025983@qq.com
*
* @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 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
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【现仓储量为】:26
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【现仓储量为】:1
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【现仓储量为】:7
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【现仓储量为】:8
【现仓储量为】:6
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【现仓储量为】:2
【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】:16
【现仓储量为】:11
【现仓储量为】:12
【现仓储量为】:13
【现仓储量为】:14
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【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:2
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【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:15
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【现仓储量为】:6
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【现仓储量为】:11
【现仓储量为】:12
【现仓储量为】:13
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【现仓储量为】:16
【现仓储量为】:17
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【现仓储量为】:4
【现仓储量为】:5
【现仓储量为】:6
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:2
【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】:12
【现仓储量为】:13
【现仓储量为】:14
【现仓储量为】:15
【现仓储量为】:16
【现仓储量为】:17
【现仓储量为】:18
【现仓储量为】:19
【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】:12
【现仓储量为】:13
【现仓储量为】:14
【现仓储量为】:15
【现仓储量为】:16
【现仓储量为】:17
【现仓储量为】:18
【现仓储量为】:19
【现仓储量为】:20
【现仓储量为】:21
【现仓储量为】:22
【现仓储量为】:23
【现仓储量为】:24
【现仓储量为】:25
【现仓储量为】:26
【现仓储量为】:27
【现仓储量为】:28
【现仓储量为】:29
【现仓储量为】:30
【现仓储量为】:31
【现仓储量为】:32
【现仓储量为】:33
【现仓储量为】:34
【现仓储量为】:35
【现仓储量为】:36
【现仓储量为】:37
【现仓储量为】:38
【现仓储量为】:39
【现仓储量为】:40当然，你会发现这时对于public void produce(int num);和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()和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。
对于Java实现生产者/消费者问题的方法先总结到这里面吧，过几天实现一下C++版本的，接下来要马上着手于基于生产者/消费者模式的《异步工作流服务框架的设计与实现》，请持续关注本博客。
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