Java线程(三)：线程协作-生产者/消费者问题

上一篇讲述了线程的互斥(同步)，但是在很多情况下，仅仅同步是不够的，还需要线程与线程协作(通信)。

生产者/消费者问题是一个经典的线程同步以及通信的案例。该问题描述了两个共享固定大小缓冲区的线程，即所谓的“生产者”和“消费者”在实际运行时会发生的问题。生产者的主要作用是生成一定量的数据放到缓冲区中，然后重复此过程。与此同时，消费者也在缓冲区消耗这些数据。该问题的关键就是要保证生产者不会在缓冲区满时加入数据，消费者也不会在缓冲区中空时消耗数据。要解决该问题，就必须让生产者在缓冲区满时休眠（要么干脆就放弃数据），等到下次消费者消耗缓冲区中的数据的时候，生产者才能被唤醒，开始往缓冲区添加数据。同样，也可以让消费者在缓冲区空时进入休眠，等到生产者往缓冲区添加数据之后，再唤醒消费者，通常采用线程间通信的方法解决该问题。如果解决方法不够完善，则容易出现死锁的情况。出现死锁时，两个线程都会陷入休眠，等待对方唤醒自己。该问题也能被推广到多个生产者和消费者的情形。

本文讲述了JDK5之前传统线程的通信方式，更高级的通信方式可参见Java线程(九)：Condition-线程通信更高效的方式和Java线程(篇外篇)：阻塞队列BlockingQueue。

假设有这样一种情况，有一个盘子，盘子里只能放一个鸡蛋，A线程专门往盘子里放鸡蛋，如果盘子里有鸡蛋，则一直等到盘子里没鸡蛋，B线程专门从盘子里取鸡蛋，如果盘子里没鸡蛋，则一直等到盘子里有鸡蛋。这里盘子是一个互斥区，每次放鸡蛋是互斥的，每次取鸡蛋也是互斥的，A线程放鸡蛋，如果这时B线程要取鸡蛋，由于A没有释放锁，B线程处于等待状态，进入阻塞队列，放鸡蛋之后，要通知B线程取鸡蛋，B线程进入就绪队列，反过来，B线程取鸡蛋，如果A线程要放鸡蛋，由于B线程没有释放锁，A线程处于等待状态，进入阻塞队列，取鸡蛋之后，要通知A线程放鸡蛋，A线程进入就绪队列。我们希望当盘子里有鸡蛋时，A线程阻塞，B线程就绪，盘子里没鸡蛋时，A线程就绪，B线程阻塞，代码如下：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/** 定义一个盘子类，可以放鸡蛋和取鸡蛋 */
public class Plate {
/** 装鸡蛋的盘子 */
List<Object> eggs = new ArrayList<Object>();
/** 取鸡蛋 */
public synchronized Object getEgg() {
while (eggs.size() == 0) {
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
Object egg = eggs.get(0);
eggs.clear();// 清空盘子
notify();// 唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列
System.out.println("拿到鸡蛋");
return egg;
}
/** 放鸡蛋 */
public synchronized void putEgg(Object egg) {
while (eggs.size() > 0) {
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
eggs.add(egg);// 往盘子里放鸡蛋
notify();// 唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列
System.out.println("放入鸡蛋");
}
static class AddThread implements Runnable  {
private Plate plate;
private Object egg = new Object();
public AddThread(Plate plate) {
this.plate = plate;
}
public void run() {
plate.putEgg(egg);
}
}
static class GetThread implements Runnable  {
private Plate plate;
public GetThread(Plate plate) {
this.plate = plate;
}
public void run() {
plate.getEgg();
}
}
public static void main(String args[]) {
Plate plate = new Plate();
for(int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(new AddThread(plate)).start();
new Thread(new GetThread(plate)).start();
}
}
}

大家注意到没有，在调用wait方法时，都是用while判断条件的，而不是if，在wait方法说明中，也推荐使用while，因为在某些特定的情况下，线程有可能被假唤醒，使用while会循环检测更稳妥。wait和notify方法必须工作于synchronized内部，且这两个方法只能由锁对象来调用。

程序开始，A线程判断盘子是否为空，放入一个鸡蛋，并且唤醒在阻塞队列的一个线程，阻塞队列为空；假设CPU又调度了一个A线程，盘子非空，执行等待，这个A线程进入阻塞队列；然后一个B线程执行，盘子非空，取走鸡蛋，并唤醒阻塞队列的A线程，A线程进入就绪队列，此时就绪队列就一个A线程，马上执行，放入鸡蛋；如果再来A线程重复第一步，在来B线程重复第二步，整个过程就是生产者(A线程)生产鸡蛋，消费者(B线程)消费鸡蛋。

输出结果如下：

放入鸡蛋
拿到鸡蛋
放入鸡蛋
拿到鸡蛋
放入鸡蛋
拿到鸡蛋
放入鸡蛋
拿到鸡蛋
放入鸡蛋
拿到鸡蛋
放入鸡蛋
拿到鸡蛋
放入鸡蛋
拿到鸡蛋
放入鸡蛋
拿到鸡蛋
放入鸡蛋
拿到鸡蛋
放入鸡蛋
拿到鸡蛋

前段时间看了张孝祥老师线程的视频，讲述了一个其学员的面试题，也是线程通信的，在此也分享一下。

题目：子线程循环10次，主线程循环100次，如此循环100次，好像是空中网的笔试题。

public class ThreadTest {
public static void main(String[] args) {
final Business business = new Business();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
threadExecute(business, "sub");
}
}).start();
threadExecute(business, "main");
}
public static void threadExecute(Business business, String threadType) {
for(int i = 0; i < 100; i++) {
try {
if("main".equals(threadType)) {
business.main(i);
} else {
business.sub(i);
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}

public class Business {
private boolean bool = true;
public synchronized void main(int loop) throws InterruptedException {
while(bool) {
this.wait();
}
for(int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println("main thread seq of " + i + ", loop of " + loop);
}
bool = true;
this.notify();
}
public synchronized void sub(int loop) throws InterruptedException {
while(!bool) {
this.wait();
}
for(int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.println("sub thread seq of " + i + ", loop of " + loop);
}
bool = false;
this.notify();
}
}