java多线程(2):线程间通信之生产者消费者模式及等待唤醒机制

前言

前面的例子都是多个线程在做相同的操作,比如4个线程都对共享数据做tickets–操作。大多情况下,程序中需要不同的线程做不同的事,比如一个线程对共享变量做tickets++操作,另一个线程对共享变量做tickets–操作,这就是大名鼎鼎的生产者和消费者模式。

正文

一,生产者-消费者模式也是多线程

生产者和消费者模式也是多线程的范例。所以其编程需要遵循多线程的规矩。

首先,既然是多线程,就必然要使用同步。上回说到,synchronized关键字在修饰函数的时候,使用的是“this”锁,所以在同一个类中的函数被synchronized修饰后,使用的是同一把锁。线程调用这些函数时,不管调用的是tickets++操作函数,还是tickets–函数,都会先去判断是否加锁了,得到锁之后再去进行具体的操作。

我们先用代码把程序中的资源,生产者,消费者表示出来。

package com.jimmy.ThreadCommunication;

class Resource{   // 资源类
	private String productName;  // 资源名称
	private int count = 1;       // 资源编号
	
	public void produce(String name){   // 生产资源函数
		this.productName = name + count;
		count ++;    // 资源编号递增,用来模拟资源递增
		System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"...生产者.."+this.productName);
	}
	
	public void consume() {  // 消费资源函数
		System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"...消费者.."+this.productName);		
	}
}

class Producer implements Runnable{  // 生产者类,用于开启生产者线程
	
	private Resource res;
	 
	//生产者初始化就要分配资源
	public Producer(Resource res) {   
		this.res = res;
	}
	
	@Override
	public void run() {
		for (int i = 0; i < 10; i++) {			
			res.produce("bread");     // 循环生产10次
		}
	}
	
}

class Comsumer implements Runnable{   // 消费者类,用于开启消费者线程

	private Resource res;
	
	//同理,消费者一初始化也要分配资源
	public Comsumer(Resource res) {
		this.res = res;
	}
	@Override
	public void run() {
		for (int i = 0; i < 10; i++) {			
			res.consume();  // 循环消费10次
		}
	}
	
}

public class ProducerAndConsumer1 {
	public static void main(String[] args) {
		Resource resource = new Resource();  // 实例化资源
		
		Producer producer = new Producer(resource);  // 实例化生产者和消费者类,它们取得同一个资源
		Comsumer comsumer = new Comsumer(resource);
		
		Thread threadProducer = new Thread(producer); // 创建1个生产者线程
		Thread threadComsumer = new Thread(comsumer); // 创建1个消费者线程
		
		threadProducer.start(); // 分别开启线程
		threadComsumer.start();
	}
}

架子搭好了,就来运行一下,当然会出现错误的结果,如下所示:

Thread-0...生产者..bread1
Thread-0...生产者..bread2
Thread-0...生产者..bread3
Thread-0...生产者..bread4
Thread-0...生产者..bread5
Thread-1...消费者..bread1
Thread-1...消费者..bread6
Thread-1...消费者..bread6
Thread-1...消费者..bread6
Thread-1...消费者..bread6
Thread-1...消费者..bread6
Thread-0...生产者..bread6
Thread-0...生产者..bread7
Thread-1...消费者..bread6
Thread-1...消费者..bread8
Thread-1...消费者..bread8
Thread-1...消费者..bread8
Thread-0...生产者..bread8
Thread-0...生产者..bread9
Thread-0...生产者..bread10

很明显,出现了线程安全错误。这时,就需要“同步”来保证对共享变量的互斥访问。上面代码中需要同步的就是Resource资源类中的produce和consume方法,分别使用synchronized来修饰,由于synchronized修饰方法时使用的是“this”锁,所以同一个类中的所有被修饰的方法用的都是同一个锁,那么线程一次只能访问其中一个方法。加锁后的Resource类方法如下:

class Resource{   // 资源类
	private String productName;  // 资源名称
	private int count = 1;       // 资源编号
	
	public synchronized void produce(String name){   // 生产资源函数
		this.productName = name + count;
		count ++;    // 资源编号递增,用来模拟资源递增
		System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"...生产者.."+this.productName);
	}
	
	public synchronized void consume() {  // 消费资源函数
		System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"...消费者.."+this.productName);		
	}
}

再来跑一次代码,又出现问题了:

Thread-0...生产者..bread1
Thread-0...生产者..bread2
Thread-0...生产者..bread3
Thread-0...生产者..bread4
Thread-0...生产者..bread5
Thread-0...生产者..bread6
Thread-0...生产者..bread7
Thread-0...生产者..bread8
Thread-0...生产者..bread9
Thread-0...生产者..bread10
Thread-1...消费者..bread10
Thread-1...消费者..bread10
Thread-1...消费者..bread10
Thread-1...消费者..bread10
Thread-1...消费者..bread10
Thread-1...消费者..bread10
Thread-1...消费者..bread10
Thread-1...消费者..bread10
Thread-1...消费者..bread10
Thread-1...消费者..bread10

虽然没有了线程安全错误,但是问题来了,生产者不停的生产,还没等消费者消费呢,就将后面的资源覆盖了前面的资源,导致消费者消费不到前面的资源,这样很容易造成系统资源浪费。理想中的结果应该是,生产者生产一个,消费者消费一个,和谐运行。对此,java为多线程引入了”等待-唤醒”机制。

二,等待唤醒机制

与线程做同样的操作不同,不同线程之间的操作需要等待唤醒机制来保证线程间的执行顺序。生产者和消费者模式中,生产者和消费者是两类不同的线程, 这两类中又可以有很多线程来协同工作。通俗来说就是,系统为资源设置一个标志flag,该标志用来标明资源是否存在,所有的线程执行操作前都要判断资源是否存在。举例来说,系统初始化后,资源是空的。接下来要执行的可能是生产者线程,也可能是消费者线程。如果是消费者线程获得执行权,先判断资源,此时为空,就会进入阻塞状态,交出执行权,并唤醒其他线程。如果是生产者线程获得执行权,先判断资源,此时为空,立马进行生产,完了交出执行权并唤醒其他线程。

注意,上面提到了两点,第一点是标志位flag,也就是等待机制,生产者要判断系统没有资源才进行生产,不然要等待,消费者要判断系统有资源才进行消费,不然也要等待。第二点是唤醒机制,不管是生产者还是消费者,它们在生产完或者消费完后,都要执行一个唤醒操作。java提供的等待唤醒机制是由java.lang.Object类中的wait()和notify()函数组来实现的。其中notify()函数随机唤醒一个被wait()的线程,而notifyAll()唤醒所有被wait()的线程。很遗憾,并没有直接唤醒对方线程的函数。

notify()适用于单生产者和单消费者模式,而notifyAll()适用于多生产者或多消费者模式。

下面来看2个生产者和2个消费者线程处理一个共享变量的代码示例:

package com.jimmy.ThreadCommunication;

class Resource2{
	
	private String productName;
	private int count = 1;
	
	private boolean flag = false;  // 资源类增加一个标志位,默认false,也就是没有资源
	
	public synchronized void produce(String name){
		
		while (flag == true) {  // 如果flag为true,也就是有资源了,生产者线程就去等待。
			try {
				wait();  // wait函数抛出的异常只能被截获
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
		
		this.productName = name + count;
		count ++;
		System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"....生产者.."+this.productName);
		
		flag = true;  // 生产完了就将flag修改为true
		notifyAll();  // 然后唤醒其他线程
	}
	
	public synchronized void consume() {
		
		while (flag == false) {  // 如果flag为false,也就是没有资源,消费者线程就去等待
			try {                // 判断flag要用while,因为线程被唤醒后会再次判断flag      
				wait();          // 而如果是if来判断,被唤醒后不会再判断flag,那么多个生产者线程就可能死锁
			} catch (InterruptedException e) {
				// TODO Auto-generated catch block
				e.printStackTrace();
			}
		}
		System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"...消费者.."+this.productName);		
		
		flag = false;  // 消费完了就把标志改为false
		notifyAll();   // 然后唤醒其他线程,因为有多个生产者和消费者线程,所以要用notifyAll,
		               // 因为notify只唤醒一个,唤醒到同类型的线程就不好了。
	}
}

class Producer2 implements Runnable{
	
	private Resource2 res;
	 
	//生产者初始化就要分配资源
	public Producer2(Resource2 res) {
		this.res = res;
	}
	
	@Override
	public void run() {
		for (int i = 0; i < 5; i++) {
			
			res.produce("bread");
		}
	}
	
}
  
class Comsumer2 implements Runnable{

	private Resource2 res;
	
	//同理,消费者一初始化也要分配资源
	public Comsumer2(Resource2 res) {
		this.res = res;
	}
	@Override
	public void run() {
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			
			res.consume();
		}
	}
	
}

public class ProducerAndConsumer2 {
	public static void main(String[] args) {
		Resource2 resource = new Resource2();  // 实例化资源
		
		Producer2 producer = new Producer2(resource); // 实例化生产者,并传入资源对象
		Comsumer2 comsumer = new Comsumer2(resource); // 实例化消费者,并传入相同的资源对象
		
		Thread threadProducer1 = new Thread(producer); // 创建2个生产者线程
		Thread threadProducer2 = new Thread(producer);
		
		Thread threadComsumer1 = new Thread(comsumer); // 创建2个消费者线程
		Thread threadComsumer2 = new Thread(comsumer);
		
		threadProducer1.start();
		threadProducer2.start();
		threadComsumer1.start();
		threadComsumer2.start();
	}
}

上述代码的输出结果如下,是理想中的生产一个,消费一个依次进行。

Thread-0....生产者..bread1
Thread-3...消费者..bread1
Thread-1....生产者..bread2
Thread-2...消费者..bread2
Thread-1....生产者..bread3
Thread-3...消费者..bread3
Thread-0....生产者..bread4
Thread-3...消费者..bread4
Thread-1....生产者..bread5
Thread-2...消费者..bread5
Thread-1....生产者..bread6
Thread-3...消费者..bread6
Thread-0....生产者..bread7
Thread-3...消费者..bread7
Thread-1....生产者..bread8
Thread-2...消费者..bread8
Thread-0....生产者..bread9
Thread-3...消费者..bread9
Thread-0....生产者..bread10
Thread-2...消费者..bread10

可以看出,线程0和1是生产者线程,他们每次只有一个进行生产。线程2和3是消费者线程,同样的,每次只有一个进行消费。

注意,上述代码中的问题有2点需要注意,第一点是用if还是while来判断flag,第二点是用notify还是notifyAll函数。统一来说,while判断在线程唤醒后还会再次判断,如果只有一个生产者和消费者线程的话可以用if,如果有多个生产者或者消费者,就必须用while判断,不然会出现死锁。所以,最终要用while和notifyAll()的组合。

总结

多线程编程往往是多个线程执行不同的任务,不同的任务不仅需要“同步”,还需要“等待唤醒机制”。两者结合就可以实现多线程编程,其中的生产者消费者模式就是经典范例。

然而,使用synchronized修饰同步函数和使用Object类中的wait,notify方法实现等待唤醒是有弊端的。就是效率问题,notifyAll方法唤醒所有被wait的线程,包括本类型的线程,如果本类型的线程被唤醒,还要再次判断并进入wait,这就产生了很大的效率问题。理想状态下,生产者线程要唤醒消费者线程,而消费者线程要唤醒生产者线程。为此,jdk1.5引入了java.util.concurrent.locks包,并提供了Lock和Condition接口及实现类,这些将在下文中介绍。

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