生产者消费者问题

生产者消费者问题(英语:Producer-consumer problem),也称有限缓冲问题(英语:Bounded-buffer problem),是一个多线程同步问题的经典案例。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。

解决方法:(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

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。
代码如下

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 list = new LinkedList();  
  
    // 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 getList()  
    {  
        return list;  
    }  
  
    public void setList(LinkedList list)  
    {  
        this.list = list;  
    }  
  
    public int getMAX_SIZE()  
    {  
        return MAX_SIZE;  
    }  
}  
/** 
 * 生产者类Producer继承线程类Thread 
 *  
 */  
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 
 *  
 */  
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 
 */  
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();  
    }  
}  

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。

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 list = new LinkedList();  
  
    // 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 getList()  
    {  
        return list;  
    }  
  
    public void setList(LinkedList list)  
    {  
        this.list = list;  
    }  
}  

只是修改Storage这个类即可

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。

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 list = new LinkedBlockingQueue(  
            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 getList()  
    {  
        return list;  
    }  
  
    public void setList(LinkedBlockingQueue list)  
    {  
        this.list = list;  
    }  
  
    public int getMAX_SIZE()  
    {  
        return MAX_SIZE;  
    }  
}  






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