Java多线程复习与巩固(五)--生产者消费者问题（第一部分）

生产者消费者问题（第一部分）

生产者消费者问题也称为有限缓冲问题，是线程同步的一个经典问题：生产者线程和消费者线程共享一块固定大小的缓存，生产者负责生成产品然后存入共享缓冲区中，消费者负责从共享缓冲区中取出产品进行消费。该问题的关键在于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空时消耗数据。

要解决这个问题就必须：让生产者在缓冲区满时休眠，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。同样地，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。

解决生产者消费者问题的方法有很多，这里先介绍最简单的一种，后续的文章中会陆续给出其他的解决方案

Object的

wait

和

notify

方法

Object.wait()

和

Thread.sleep()

方法在功能上很相似，它们都会导致线程挂起，但是

Thread.sleep()

可以指定线程被挂起的时间，当然

Object.wait()

也有一个重载的方法也可以指定被挂起的时间，可

Thread.sleep()

挂起时不会释放线程占有的资源(不会释放锁)，而

Object.wait()

会暂时释放线程所占有的资源(会释放锁)。因此

Object.wait()

调用后其他线程就可以进入

synchronized

同步代码块执行了。

而

Object.notify()

就是用来唤醒因调用

Object.wait()

而挂起的一个线程，另外还有一个

Object.notifyAll()

方法用来唤醒所有因调用

Object.wait()

而挂起的线程。

使用

Object.wait()

方法和

notifyAll()

方法来实现线程的休眠和唤醒。

import java.util.Random;

public class ProducerConsumer {
private static final int BUFFER_SIZE = 100;
static int[] buffer = new int[BUFFER_SIZE];
static int head, tail = 0;
static int count = 0;

static class Producer implements Runnable {
Random random = new Random();

public void run() {
while (true) {
synchronized (buffer) {
while (count >= buffer.length) {
// 外层需要套一个while循环，
// 以为buffer.wait()可能会被错误的唤醒
// 如果缓冲区已满则等待
try {
buffer.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
// 生成一个随机数作为生产的产品
int product = random.nextInt(10);
System.out.println("Producer: 我生产了一个随机数" + product);
// 将产品放入共享缓冲区中
buffer[tail] = product;
// 尾部指针加一
tail = (tail + 1) % buffer.length;
count++;
// 提醒消费者消费
buffer.notifyAll();
}
}
}
}

static class Consumer implements Runnable {
public void run() {
while (true) {
synchronized (buffer) {
while (count <= 0) {
try {
buffer.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
// 取出共享缓冲区中的产品
int product = buffer[head];
head = (head + 1) % buffer.length;
count--;
System.out.println("Consumer: 我消费了一个随机数" + product);
buffer.notifyAll();
}
}
}
}

public static void main(String[] args) {
new Thread(new Producer()).start();
new Thread(new Consumer()).start();
}
}

对共享缓冲区进行封装

操作系统中有个概念叫管程(Monitors)，它是这么定义的：一个管程定义了一个数据结构和能为并发进程所执行（在该数据结构上）的一组操作，这组操作能同步进程和改变管程中的数据。

管程这个概念仿佛与我们下面的封装不谋而合。

import java.util.Random;

public class ProducerConsumer {
// 你也可以将这个类设计成泛型，让它有通用性
static class Buffer {
private int[] buffer;
private int head = 0, tail = 0;
private int count = 0;

public Buffer(int size) {
buffer = new int[size];
}

public synchronized void put(int data) {
while (count >= buffer.length) {
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
buffer[tail] = data;
tail = (tail + 1) % buffer.length;
count++;
notifyAll();
}

public synchronized int take() {
while (count <= 0) {
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
int data = buffer[head];
head = (head + 1) % buffer.length;
count--;
notifyAll();
return data;
}
}

static Buffer buffer = new Buffer(10);

static class Producer implements Runnable {
Random random = new Random();

public void run() {
while (true) {
// 生成一个随机数作为生产的产品
int product = random.nextInt(100);
buffer.put(product);
System.out.println("Producer: 我生产了一个随机数" + product);
}
}
}

static class Consumer implements Runnable {
public void run() {
while (true) {
int product = buffer.take();
System.out.println("Consumer: 我消费了一个随机数" + product);
}
}
}

public static void main(String[] args) {
new Thread(new Producer()).start();
new Thread(new Consumer()).start();
}
}

在

java.util.concurrent

包中有很多类似于上面的Buffer的数据结构，不同的是它们大都使用并发库中的

ReentrantLock

实现线程的互斥访问。通常它们都是

BlockingQueue

接口的实现类，

BlockingQueue.put()

和

BlockingQueue.take()

方法和上面的我写的例子中的

Buffer.put()

和

Buffer.take()

方法基本类似，不同之处是

BlockingQueue.put()

和

BlockingQueue.take()

把

InterruptedException

抛出来交给外部处理。

在后续的文章中我们会对ReentrantLock和这一系列BlockingQueue进行简单的使用和原理分析。

关于java.util.concurrent包中的集合类可以参考我的这篇文章Java 集合框架总结与巩固