Java多线程编程中生产者-消费者模式的详解

生产者-消费者模式是一个经典的多线程设计模式，它为多线程的协作提供了良好的解决方案。在生产者-消费者模式中，通常有两类线程，即若干个生产者线程和若干个消费者线程。生产者线程负责提交用户请求，消费者线程负责处理用户请求。生产者和消费者之间通过共享内存缓冲区进行通信。

生产者-消费者模式中的内存缓冲区的主要功能是数据在多线程间的共享。此外，通过该缓冲区，可以缓解生产者和消费者之间的性能差。

Java多线程编程中，常用的多线程设计模式包括：Future模式、Master-Worker模式、Guarded Suspeionsion模式、不变模式和生产者-消费者模式等。这篇文章主要讲述不变模式，关于其他多线程设计模式的地址如下：
关于Future模式的详解： Java多线程编程中Future模式的详解
关于Master-Worker模式的详解： Java多线程编程中Master-Worker模式的详解
关于Guarded Suspeionsion模式的详解： Java多线程编程中Guarded Suspeionsion模式的详解
关于不变模式的详解： Java多线程编程中不变模式的详解

下面以生产者生产馒头、消费者吃馒头为例说明生产者-消费者模式，并用Java代码实现。

1. 馒头

这里采用了面向对象的设计思想，馒头在整个程序中自然是一个类，其Java代码如下。

class ManTou {
	int id;
	ManTou(int id) {
		this.id = id;
	}
	
	public String toString() {
		return "ManTou: " + id;
	}
}

2. 篮子（装馒头）

篮子是有容量的，因此篮子类需要有一个变量表示容量；篮子至少还有取和装馒头这两个功能，其Java代码如下：

class SyncStack { //篮子
	int index = 0;
	ManTou[] arrMT = new ManTou[6]; //假设这个篮子只能装6个馒头
	
	public synchronized void push(ManTou wt) { //装馒头
		while(index == arrMT.length) { //篮子满了
			try {
				this.wait();
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
		this.notify(); //如果取馒头的wait了，则通知他醒来
		arrMT[index] = wt;
		index ++;
	}
	
	public synchronized ManTou pop() { //取馒头
		while(index == 0) { //篮子空了
			try {
				this.wait();
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
		this.notify(); //如果产馒头的wait了，则通知他醒来
		index --;
		return arrMT[index];
		
	}
}

3. 生产者（生产馒头）

生产者需要获取篮子这个对象，而且篮子不能是自己创建的。其Java代码如下：

class Producer implements Runnable { //生产者
	SyncStack ss = null;
	
	Producer(SyncStack ss) {
		this.ss = ss;
	}
	
	public void run() {
		for(int i=0; i<20; i++) { //一共要生成20个
			ManTou wt = new ManTou(i);
			ss.push(wt);
			System.out.println("生产了：" + wt);
			try { //生成一个睡1秒，便于观察
				Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}
}

4. 消费者（吃馒头）

消费需要获取篮子这个对象，而且这个对象必须与生产者获取的篮子是同一个对象，这样才能信息共享。其Java代码如下：

class Consumer implements Runnable {
	SyncStack ss = null;
	
	Consumer(SyncStack ss) {
		this.ss = ss;
	}
	public void run() {
		for(int i=0; i<20; i++) { //一共要吃20个
			ManTou wt = ss.pop();
			System.out.println("消费了：" + wt);
		}
	}
}

5. 测试运行

主函数Java代码如下：

public class ProducerConsumer {
	public static void main(String[] args) {
		SyncStack ss = new SyncStack(); //定义篮子
		Producer p = new Producer(ss);  //定义生产者
		Consumer c = new Consumer(ss);  //定义消费者
		new Thread(p).start();
		new Thread(c).start();
	}
}

运行上述结果，后台打印如下：

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参考文献

1. 葛一鸣，Java程序性能优化．清华大学出版社．

2. 北京尚学堂辅导机构网络视频．