Rhyme/Java多线程之生产者消费者问题(等待唤醒机制、虚假唤醒、锁机制)

Java多线程之生产者消费者问题(等待唤醒机制、虚假唤醒、锁机制)

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本篇博客由浅入深，先从最基础的生产者消费者问题讲起，然后依次深入

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普通的生产者消费者问题

首先我们有一个店员类，模拟进货和卖货操作，店里的商品数量最多为10个
注意这里我们给进货和卖货方法都加了synchronized的关键字

生产者线程，负责生产商品

消费者线程，负责消费商品

好，然后我们先看运行结果，然后我们来仔细分析运行结果并提出改正方案

以下是一个简单的测试类，首先new 了一个营业员，然后分别创建了一个消费者和生产者线程

执行结果如下：

结果分析：

通过分析以上运行结果我们可以发现一个很明显的结果，要么先是一大堆生产者集中生产，然后消费者集中消费，而且不管是生产者还是消费者，当商品已满或已进销售完毕之后，他们还在尝试生产和消费。

好，那为什么会造成这样的结果呢？原因就在于我们的店员类的进货和销售方法都带了synchronized 关键字，并且在消费者和生产者线程中分别执行了10的循环，这就导致不论是生产者还是消费者一抢到资源，就执行循环，导致出现集中的生产和消费。

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采用等待唤醒机制的生产者消费者问题

添加等待唤醒机制的生产者消费者问题与之前不同的是，增加以下红框中的代码，它的意思是当商品已满时生产者等待，唤醒消费者线程消费，当商品销售完了之后，消费者等待，通知生产者生产，为了放大错误发生的几率，我们对将最大商品数量设置为1，并为生产者线程加了0.2秒的延迟

那我们来看采用了等待唤醒机制的生产者消费者问题的执行结果

结果分析：

首先我们看到运行的结果是很规律的，你生产一个，我消费一个，但是我们仔细观察的话我们会发现一个问题，那就是程序迟迟没有自动终止，这是为什么呢？

原因在于：我们的this.wait()和this.notifyAll()的操作没有成对出现，我们仔细观察我们的代码，如下：我们对等待操作和唤醒操作采用的是if,else的判断语句来执行，这就导致为什么程序无法终止的原因。好，可能你还不明白，那我再讲得简单一点，你仔细想一下，我的生产者和消费者线程中分别有10次的循环，去访问这些公共的商品，但是他们执行的顺序要么是生产者等待，消费者唤醒或者消费者等待，生产者唤醒，这样的执行顺序下去，就会导致什么，就会导致，到最后的时候就会有很大地概率，只有一个线程在那边wait等待，但是其他的线程都执行完了，没有人唤醒它了，所以就会出现程序无法终止的情况。

那如何解决呢？很简单，只要将if,else去掉就行了，代码如下：

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虚假唤醒

好，那么到这里问题就都解决了吗？不，没有解决，试想一下，我们之前的测试和操作，采用的都只有一个生产者和一个消费者，那么如果我们有多个生产者和多个消费者呢？这个时候就会出现一个著名的问题叫虚假唤醒

测试代码如下 我们创建了多个生产者和消费者线程

public class TestProductorAndConsumer {
    public static void main(String[] args) {
        Clerk clerk = new Clerk();
        Producer producter = new Producer(clerk);
        Consumer consumer  = new Consumer(clerk);
        new Thread(producter,"生产者A").start();
        new Thread(consumer,"消费者A").start();
        new Thread(producter,"生产者B").start();
        new Thread(consumer,"消费者B").start();
    }
}

运行结果如下：

结果分析：

分析结果你会发现结果已经严重的出错了，并且出现了很多的负数，问题出在哪里呢？
我们回到之前的进货和销售方法，我们已经知道他们是两个synchronized方法

 /**
     * 进货操作
     */
    public synchronized void purchase() throws InterruptedException {
        if (product >= 1) {
            System.out.println("产品已满!");
            this.wait();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + ++product);
        this.notifyAll();
    }

    /**
     * 卖货操作
     */
    public synchronized void sale() throws InterruptedException {
        if (product <= 0) {
            System.out.println("缺货！！");
            this.wait();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":" + --product);
        this.notifyAll();
    }

由于我们有多个生产者和多个消费者，那么我们先假设在执行卖货方法sale()方法时，有多个消费者A,B都在外面等待，首先是消费者A进行开始消费，但是它发现店内没货了，于是挂起等待，然后下一个消费者B进入消费，同样地也发现没货，因此也wait等待，之后出现了一个生产者，它生产了一个商品，然后执行了notifyAll()方法唤醒了正在等待的消费者线程们，它们一唤醒，就从原来挂起的位置继续执行下去，因此商品数量就被连续减了两次，就出现负数的运行结果。因此我们就称这种现象为虚假唤醒现象

那如何解决虚假唤醒的现象呢，看如下代码：

 /**
     * 进货操作
     */
    public synchronized void purchase() throws InterruptedException {
        while (product >= 1) {//避免虚假唤醒，使用while循环做判断
            System.out.println("产品已满!");
            this.wait();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + ++product);
        this.notifyAll();
    }

    /**
     * 卖货操作
     */
    public synchronized void sale() throws InterruptedException {
        while (product <= 0) {//避免虚假操作，使用while循环做判断
            System.out.println("缺货！！");
            this.wait();
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":" + --product);
        this.notifyAll();
    }

咦，你会发现这和之前的代码也没什么区别呀，注意，仔细看我们这里将if判断改为了while循环判断，这就能解决虚假唤醒的问题，我们再看运行结果，就正常了

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采用锁机制实现生产者消费者问题