Java 多线程：生产者消费者模型

概念

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生产者消费者问题描述了两个线程（即生产者线程和消费者线程），共享固定大小的缓冲区，在实际运行中可能出现的问题。
- 生成者：生成一定量的数据放到缓冲区中，然后重复此过程。
- 消费者：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。

死锁的发生

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对于多线程的问题，如果处理不好就会出现死锁，如下：

int itemCount = 0;

procedure producer() {
    while (true) {
        item = produceItem();
        if (itemCount == BUFFER_SIZE) {
            sleep();
        }
        putItemIntoBuffer(item);
        itemCount = itemCount + 1;
        if (itemCount == 1) {
            wakeup(consumer);
        }
    }
}

procedure consumer() {
    while (true) {
        if (itemCount == 0) {
            sleep();
        }
        item = removeItemFromBuffer();
        itemCount = itemCount - 1;
        if (itemCount == BUFFER_SIZE - 1) {
            wakeup(producer);
        }
        consumeItem(item);
    }
}

上面代码中的问题在于它可能导致竞争条件，进而引发死锁。考虑下面的情形：

1. 消费者把最后一个 itemCount的内容读出来，注意它现在是零。消费者返回到while的起始处，现在进入 if 块；
2. 就在调用sleep之前，CPU决定将时间让给生产者，于是消费者在执行 sleep之前就被中断了，生产者开始执行；
3. 生产者生产出一项数据后将其放入缓冲区，然后在 itemCount 上加 1；
4. 由于缓冲区在上一步加 1 之前为空，生产者尝试唤醒消费者；
5. 遗憾的是，消费者并没有在休眠，唤醒指令不起作用。当消费者恢复执行的时候，执行 sleep，一觉不醒。出现这种情况的原因在于，消费者只能被生产者在 itemCount 为 1 的情况下唤醒；
6. 生产者不停地循环执行，直到缓冲区满，随后进入休眠。

由于两个进程都进入了永远的休眠，死锁情况出现了。因此，该算法是不完善的。

Java 中的例子（解决生成者消费者问题）

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import java.util.LinkedList;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class ProducerConsumerTest {

    private final static int BUFFER_SIZE = 10;
    private static LinkedList