Java多线程之生产者和消费者模型

1 多线程中生产者和消费者

在并发编程中使用生产者和消费者模式能够解决绝大多数并发问题。该模式通过平衡生产线程和消费线程的工作能力来提高程序的整体处理数据的速度。

1.1 为什么要使用生产者和消费者模式

在线程世界里，生产者就是生产数据的线程，消费者就是消费数据的线程。在多线程开发当中，如果生产者处理速度很快，而消费者处理速度很慢，那么生产者就必须等待消费者处理完，才能继续生产数据。同样的道理，如果消费者的处理能力大于生产者，那么消费者就必须等待生产者。为了解决这种生产消费能力不均衡的问题，所以便有了生产者和消费者模式。

1.2 什么是生产者消费者模式

生产者消费者模式是通过一个容器来解决生产者和消费者的强耦合问题。生产者和消费者彼此之间不直接通讯，而通过阻塞队列来进行通讯，所以生产者生产完数据之后不用等待消费者处理，直接扔给阻塞队列，消费者不找生产者要数据，而是直接从阻塞队列里取，阻塞队列就相当于一个缓冲区，平衡了生产者和消费者的处理能力。
这个阻塞队列就是用来给生产者和消费者解耦的。纵观大多数设计模式，都会找一个第三者出来进行解耦，如工厂模式的第三者是工厂类，模板模式的第三者是模板类。在学习一些设计模式的过程中，如果先找到这个模式的第三者，能帮助我们快速熟悉一个设计模式。

1.3 实际操作

对于多线程程序来说，不管任何编程语言，生产者和消费者模型都是最经典的。
实际上，准确说应该是生产者-消费者-仓储模型，离开了仓储，生产者消费者模型就显得没有说服力了。
对于此模型，应该明确一下几点：

1. 生产者仅仅在仓储未满时候生产，仓满则停止生产。
2. 消费者仅仅在仓储有产品时候才能消费，仓空则等待。
3. 当消费者发现仓储没产品可消费时候会通知生产者生产。
4. 生产者在生产出可消费产品时候，应该通知等待的消费者去消费。

此模型将要结合java.lang.Object的wait与notify、notifyAll方法来实现以上的需求。这是非常重要的。

/** 
* Java线程：并发协作-生产者消费者模型 
*/ 
public class Test { 
        public static void main(String[] args) { 
                Godown godown = new Godown(30); 
                Consumer c1 = new Consumer(50, godown); 
                Consumer c2 = new Consumer(20, godown); 
                Consumer c3 = new Consumer(30, godown); 
                Producer p1 = new Producer(10, godown); 
                Producer p2 = new Producer(10, godown); 
                Producer p3 = new Producer(10, godown); 
                Producer p4 = new Producer(10, godown); 
                Producer p5 = new Producer(10, godown); 
                Producer p6 = new Producer(10, godown); 
                Producer p7 = new Producer(80, godown); 

                c1.start(); 
                c2.start(); 
                c3.start(); 
                p1.start(); 
                p2.start(); 
                p3.start(); 
                p4.start(); 
                p5.start(); 
                p6.start(); 
                p7.start(); 
        } 
} 

/** 
* 仓库 
*/ 
class Godown { 
        public static final int max_size = 100; //最大库存量 
        public int curnum;     //当前库存量 

        Godown() { 
        } 

        Godown(int curnum) { 
                this.curnum = curnum; 
        } 

        /** 
         * 生产指定数量的产品 
         * 
         * @param neednum 
         */ 
        public synchronized void produce(int neednum) { 
                //测试是否需要生产 
                while (neednum + curnum > max_size) { 
                        System.out.println("要生产的产品数量" + neednum + "超过剩余库存量" + (max_size - curnum) + "，暂时不能执行生产任务!"); 
                        try { 
                                //当前的生产线程等待 
                                wait(); 
                        } catch (InterruptedException e) { 
                                e.printStackTrace(); 
                        } 
                } 
                //满足生产条件，则进行生产，这里简单的更改当前库存量 
                curnum += neednum; 
                System.out.println("已经生产了" + neednum + "个产品，现仓储量为" + curnum); 
                //唤醒在此对象监视器上等待的所有线程 
                notifyAll(); 
        } 

        /** 
         * 消费指定数量的产品 
         * 
         * @param neednum 
         */ 
        public synchronized void consume(int neednum) { 
                //测试是否可消费 
                while (curnum < neednum) { 
                        try { 
                                //当前的生产线程等待 
                                wait(); 
                        } catch (InterruptedException e) { 
                                e.printStackTrace(); 
                        } 
                } 
                //满足消费条件，则进行消费，这里简单的更改当前库存量 
                curnum -= neednum; 
                System.out.println("已经消费了" + neednum + "个产品，现仓储量为" + curnum); 
                //唤醒在此对象监视器上等待的所有线程 
                notifyAll(); 
        } 
} 

/** 
* 生产者 
*/ 
class Producer extends Thread { 
        private int neednum;                //生产产品的数量 
        private Godown godown;            //仓库 

        Producer(int neednum, Godown godown) { 
                this.neednum = neednum; 
                this.godown = godown; 
        } 

        public void run() { 
                //生产指定数量的产品 
                godown.produce(neednum); 
        } 
} 

/** 
* 消费者 
*/ 
class Consumer extends Thread { 
        private int neednum;                //生产产品的数量 
        private Godown godown;            //仓库 

        Consumer(int neednum, Godown godown) { 
                this.neednum = neednum; 
                this.godown = godown; 
        } 

        public void run() { 
                //消费指定数量的产品 
                godown.consume(neednum); 
        } 
}
 
已经生产了10个产品，现仓储量为40 
已经生产了10个产品，现仓储量为50 
已经消费了50个产品，现仓储量为0 
已经生产了80个产品，现仓储量为80 
已经消费了30个产品，现仓储量为50 
已经生产了10个产品，现仓储量为60 
已经消费了20个产品，现仓储量为40 
已经生产了10个产品，现仓储量为50 
已经生产了10个产品，现仓储量为60 
已经生产了10个产品，现仓储量为70 

说明：
对于本例，要说明的是当发现不能满足生产或者消费条件的时候，调用对象的wait方法，wait方法的作用是释放当前线程的所获得的锁，并调用对象的notifyAll()方法，通知（唤醒）该对象上其他等待线程，使得其继续执行。这样，整个生产者、消费者线程得以正确的协作执行。
notifyAll() 方法，起到的是一个通知作用，不释放锁，也不获取锁。只是告诉该对象上等待的线程可以竞争执行了，都醒来去执行吧。

本例仅仅是生产者消费者模型中最简单的一种表示，本例中，如果消费者消费的仓储量达不到满足，而又没有生产者，则程序会一直处于等待状态，这当然是不对的。实际上可以将此例进行修改，修改为，根据消费驱动生产，同时生产兼顾仓库，如果仓不满就生产，并对每次最大消费量做个限制，这样就不存在此问题了，当然这样的例子更复杂，更难以说明这样一个简单模型。