生产者消费者问题、Java实现

来，今天尝试把这个问题搞定。还是这种节奏，看一个问题要先从历史看、全局看，这样我们才能真正掌握其全貌，最终各个击破，了然于胸！

我们先来温习下如下概念：

1. 基础概念

基本的

1. 程序 - Program
   程序是静态的源代码或目标程序，是一个没有生命的实体。

2. 进程 - Process
   当CPU赋予程序生命时也即操作系统执行它时，程序成为了一个活动的实体（但不是可执行的实体），称为进程 - 进行中的程序。

   • 进程是程序的一个实例；
   • 是计算机分配资源的基本单位；
   • 是线程的容器；

3. 线程 - Thread
   线程是进程中的一个可执行实体，是系统独立调度和基本单位，线程自己不拥有系统资源。

   • 线程是现代操作系统的重要指标。
   • 一个进程中的所有线程共享进程所有资源。

进阶的

1. 进程间通信 - IPC

进程间通信 - Inter-Process Communication, IPC；
IPC是标准的UNIX通信机制，是一组编程接口，让程序员能够协调不同的进程，使之能在一个OS里同时运行，并相互传递、交换信息。

最初的IPC方法有两种：

1. 信号 - Signals
   是UNIX系统中使用最早的一种IPC方法。
   OS中预先规定好了一系列事件（信号源），比如一个键盘中断或者一个错误都是，这些事件能产生一个信号。OS通过信号来通知当前进程系统中发生了某种预先规定好的事件。
   当进程识别出信号的到来，就采取适当的动作来传送或处理信号。

2. 管道 - PIPE
   暂不表。

后来，在System V UNIX(1983，正统UNIX)中又首次引入了3中IPC机制：

1. 消息队列 - message queues
   消息队列是消息的一个链表，它允许一个或多个进程向它写消息，一个或多个进程从中读取消息。
   Linux维护了一个MQ向量表：msgque表示消息队列。

2. 信号量/旗语 - semaphore
   信号量本质上是一个计数器，用来记录某个资源的存取状况。有互斥信号量、条件信号量。

3. 共享内存 - shared memory
   共享内存通常由一个进程创建，其余进程对这块内存进行读写。通常用信号量来管理共享内存。

另外还有一种非常重要的方式：

1. Socket - 套接字
   TCP/IP是网络通讯协议，而Socket是这些协议的一种实现API，最早实现在BSD UNIX中。今天Socket是最通用的网络编程API，所有提供TCP/IP协议栈的OS中都提供了SocketAPI。

2. 线程间怎么通信？

进程可以通过以上那么多IPC手段来通讯，那么线程呢？

其实线程之间通讯很简单，因为同一个进程的线程们共享进程的资源，所以它们之间的通讯其实就是去读写共享资源。当然，可能需要互斥手段来保证数据一致性。

tips：

现在我想你能明白Java线程同步的相关知识点了。
线程同步时所说的“共享资源”，比如类中的成员变量，它其实在JVM运行时内存中的堆中或方法区中，这两个区域是线程共享的。
再说明白点，这个区域是JVM进程（Process）的资源区域，也就是所有JVM线程（Thread）可以读写的共享资源喽。

线程同步是保证线程安全访问共享资源的一种手段，同步方法包括：

• 事件 - Event
• 互斥 - Mutex
• 信号量/旗语 - Semaphore
• 临界资源

2. 生产者消费者问题

1. 抛出问题

生产者消费者问题（Producer-consumer problem）也可以叫有限缓冲问题（Bounded-buffer problem）。这个问题是一个很经典（简单）的进程/线程同步问题。

问题如下：

首先，工厂中有一个产品缓冲区，生产者会不停地往缓冲区中添加新产品，而消费者则是不停的从缓冲区取走产品。

问题：
怎样保证生产者不会在缓冲区满时加入数据，且消费者不会在缓冲区为空时消耗数据？

解答也很简单：

生产者必须在缓冲区满时休眠，直到消费者消耗了产品时才能被唤醒。
同时，也必须让消费者在缓冲区空时休眠，直到生产者往缓冲区中添加产品时才能唤醒消费者。

对于程序设计层面来说，解决方案就是上面1说的IPC方法，其中最常用的是信号量方法，所以我们再来具体说说信号量。

2. 再说信号量 - semaphore

1. 概述
如上所述，信号量本质上是一个计数器，可以用来处理进程同步问题。

1965年，荷兰计算机科学家艾兹格·迪杰斯特拉（Edsger W. Dijkstra）发明了Semaphore机制，现在广泛的应用在各种OS中。

2. OS中的描述：
在系统中，给予每个进程一个信号量，代表每个进程目前的状态，未得到控制权的进程会在特定的地方被强迫停下来，等待可以继续进行的信号到来。

3. 种类：

1. 信号量是一个任意整数
   称为：计数信号量（Counting semaphore）或一般信号量（general semaphore）

2. 信号量只有二进制的0或1
   称为：二进制信号量（Binary semaphore）或互斥信号量 - Mutex。

4. PV原语：
Dijkstra同时提出了两个原语（原子语句）来操作semaphore：

1. P原语
   P是荷兰语Proeren（测试）的首字母。
   P是阻塞原语，负责把当前进程由运行状态转换为阻塞状态，直到另一个进程唤醒它。

   代表的操作为：申请一个空闲资源（信号量-1），若成功，则退出；若失败，则该进程被阻塞；

2. V原语
   V是荷兰语Verhogen（增加）的首字母。
   V为唤醒原语，负责把一个被阻塞的进程唤醒，它有一个参数表，记录着等待被唤醒的进程。

   代表的操作为：释放一个被占用的资源（信号量+1），若发现有被阻塞的线程，则选择一个唤醒之。

5. 三种使用：
3的两种种类和4的PV原语结合，可以对semaphore的操作可以分为三种情况：

1. 视semaphore为一个加锁标志位，实现对一个共享变量的互斥访问。
   过程：

   P(mutex); // mutex的初始值为1，访问该共享数据；
   V(mutex);
   //非临界区

2. 视semaphore为共享资源剩余个数，实现对一个类共享资源的访问。
   过程：

   P(mutex); // mutex的初始值为资源的个数N，使用该资源；
   V(mutex);
   //非临界区

3. 视semaphore为进程间的同步工具。
   过程：

   临界区C1；
   P(S); 
   V(S);
   临界区C2；

3. Java中实现

生产者消费者问题具体来说有以下几种

• 1个生产者1个消费者
• 1个生产者N个消费者
• M个生产者N个消费者

感觉网上大部分人写的都是教学性质的第一种，下面我自己按我的理解写了一个第三种，其实我也不知道对不对啊…… 因为我没找到我认为正确的、可以参阅的……

各位读者，如有不当之处，还望能不吝赐教：

import java.util.LinkedList;
import java.util.Random;

/** * 多生产者、多消费者的情况 * * @author alanzhangyx * */
public class ProducerConsumer {

    //定义一个队列缓冲区，数据为Integer
    LinkedList<Integer> list = new LinkedList<Integer>();

    //设置缓冲区最大容量
    static final int MAX_SIZE = 100;

    /** * 生产者。 * * <p>生产者进行V原语操作</p> * <ul> * <li>获取缓冲区，如果缓冲区没有达到MAX_SIZE，则生产一个产品（n个也行）放入缓冲区，并唤醒所有线程</li> * <li>无论如何最后使自己休眠（这里是wait）</li> * </ul> * * @version 1.0.0 * @author alanzhangyx */
    class Producer implements Runnable{
        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                synchronized (list){
                    if (list.size() < MAX_SIZE) {
                        int num = new Random().nextInt(100);
                        list.add(num);
                        list.notifyAll();
                        System.out.println("生产者" + Thread.currentThread().getName() + "生产了产品：" + num + "，----此时缓冲区容量为" + list.size());

                    }

                    try {
                        list.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }
    }

    /** * 消费者。 * * <p>消费者进行P原语操作</p> * <ul> * <li>获取缓冲区，如果缓冲区有数据，则从缓冲区取出一个产品（n个也行），并唤醒所有线程</li> * <li>无论如何最后使自己休眠（这里是wait）</li> * </ul> * * @version 1.0.0 * @author alanzhangyx */
    class Consumer implements Runnable{
        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                synchronized (list){
                    if (list.size() > 0) {
                        int num = list.poll();//poll是Queue的操作，删除队列头元素
                        System.out.println("消费者" + Thread.currentThread().getName() + "消费了产品：" + num + "，----此时缓冲区容量为" + list.size());
                        list.notifyAll();
                    }

                    try {
                        list.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        }
    }


    public static void main(String[] args) {
        ProducerConsumer pc = new ProducerConsumer();

        //Thread构造函数需要一个Runnable对象即可构造一个新的线程，Runnable对象可以重复利用，不必new多个
        //一个消费者，一个生产者
        Consumer c = pc.new Consumer();
        Producer p = pc.new Producer();

        //生产者和消费者谁先start都一样
        new Thread(c).start();
        new Thread(c).start();
        new Thread(c).start();
        new Thread(c).start();
        new Thread(c).start();

        new Thread(p).start();
        new Thread(p).start();
        new Thread(p).start();
        new Thread(p).start();
        new Thread(p).start();

    }

}

结语

不知道大家看明白了吗？其实我总结的这些只是把明白的写上了，总有种不是那么连贯通透的感觉，也是因为其实有些地方我暂时还不太彻底弄懂。

网上关于相关问题的描述也是模模糊糊的，弄的我很烦恼~

不管啦，有些东西还是要过一段再回看才能找到新的思路的，暂且如上，以后有新的理解会即刻补上。