Java 生产者消费者问题解析

问:Java 中如何通过代码解决生产消费者问题?

答:
生产者消费者问题是多线程并发的一个经典问题,其问题的核心模型是说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,所以在 Java 中解决生产消费者问题的主要原理就是解决并发同步与协作问题,故而常见的解决方案如下:

  • 使用 BlockingQueue 解决(推荐),因为其内部已经实现了同步队列,实现的原理是采用 await()和 signal() 方法,其可以在生成对象时指定容量大小,对于生产者容量到达最大时自动阻塞,对于消费者容量为 0 时自动阻塞,样板代码如下(使用 Array 阻塞队列更加OK):
public class CompanyStorage {
    private final int MAX_SIZE = 50;
    private BlockingQueue products = new LinkedBlockingQueue();

    //生产商品
    public synchronized boolean product(Object src) {
        if (products.size() == MAX_SIZE) {
            System.out.println("仓库已满,暂时不能继续生产!");
            return false;
        }

        try {
            products.put(src);
            System.out.println("已生产成功,当前仓库存货量:"+products.size());
            return true;
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println("生产失败,"+e.getMessage());
        }
        return false;
    }

    //消费商品
    public synchronized Object consume() {
        if (products.isEmpty()) {
            System.out.println("仓库已空,暂时不能继续消费!");
            return null;
        }

        try {
            Object object = products.take();
            System.out.println("已消费成功,当前仓库存货量:"+products.size());
            return object;
        } catch (InterruptedException e) {
            System.out.println("消费失败,"+e.getMessage());
        }
        return null;
    }
}
 
 
  • 使用 Object 的 wait()/notify() 方法解决,核心原理就是通过并发锁保证仓库集合的原子性,同时通过 wait()/notify() 保证并发协作的有序性,样板代码如下:
public class CompanyStorage {
    private final int MAX_SIZE = 50;
    private LinkedList products = new LinkedList();

    //生产产品
    public void produce(Object src) {
        synchronized (products) {
            while (products.size() == MAX_SIZE) {
                System.out.println("仓库已满,暂时不能继续生产!");
                try {
                    products.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            products.addFirst(src);
            System.out.println("已生产成功,当前仓库存货量:"+products.size());
            products.notifyAll();
        }
    }

    // 消费产品
    public Object consume() {
        synchronized (products) {
            while (products.isEmpty()) {
                System.out.println("仓库已空,暂时不能继续消费!");
                try {
                    products.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            Object object = products.removeLast();
            System.out.println("已消费成功,当前仓库存货量:"+products.size());
            products.notifyAll();
            return object;
        }
    }
}
 
 
  • 使用 Lock 的 await()/signal() 方法解决,核心原理类似 wait()/notify(),样板代码如下:
public class CompanyStorage {
    private final int MAX_SIZE = 50;

    private LinkedList products = new LinkedList();

    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition full = lock.newCondition();
    private final Condition empty = lock.newCondition();

    //生产产品
    public void produce(Object src) {
        try {
            lock.lock();
            while (products.size() == MAX_SIZE) {
                System.out.println("仓库已满,暂时不能继续生产!");
                try {
                    full.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            products.addFirst(src);

            System.out.println("已生产成功,当前仓库存货量:"+products.size());
            empty.signalAll();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    //消费产品
    public Object consume() {
        try {
            lock.lock();
            while (products.isEmpty()) {
                System.out.println("仓库已空,暂时不能继续消费!");
                try {
                    empty.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            Object object = products.remove();
            System.out.println("已消费成功,当前仓库存货量:"+products.size());
            full.signalAll();
            return object;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}
 
 
  • 通过 PipedInputStream/PipedOutputStream 管道缓冲流实现,这种方式基于流,所以对于生产消费者的产品需要首先包装成流,所以不易封装,故而实用性不强。

本文参考自 经典面试题之生产消费者问题解析

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