Java多线程19-生产者消费者问题

19、生产者消费者问题

1.线程通信

• 应用场景：生产者和消费者问题
  • 假设仓库中只能存放一件产品，生产者将生产出来的产品放入仓库，消费者将仓库中的产品取走消费
  • 如果仓库中没有产品，则生产者将产品放入仓库，否则停止生产并等待，直到仓库中的产品被消费者取走为止
  • 如果仓库中放有产品，则消费者可以将产品取走消费，否则停止消费并等待，直到仓库中再次放入产品为止

2.线程通讯-分析

• 这个一个线程同步问题，生产者和消费者共享同一个资源，并且生产者和消费者之间相互依赖，互为条件。

  • 对于生产者，没有生产产品之前，要通知消费着等待，而生产了产品之后，有需要马上通知消费者消费
  • 对于消费者，在消费之后，要通知生产者已经结束消费，需要生产新的产品以供消费
  • 在生产者消费者问题中，仅有synchronized是不够的
    • synchronized可以阻止并发更新同一个共享资源，实现了同步
    • synchronized不能用来实现不同线程之前的消息传递（通信）

• java提供几个方法解决线程之前的通信问题

方法名	作用
wait()	表示线程一直等待，直到其他线程通知，与sleep不同，会释放锁
wait(long timeout)	指定等待的毫秒数
notify()	唤醒一个处于等待状态的线程
notifyAll()	唤醒同一个对象上所有调用wait()方法的线程，优先级别高的线程优先调度

注意：均是Object类的方法，都只能在同步方法或者同步代码块中使用，否则会抛出异常IllegalMonitorStateException

3.解决方式1

并发协作模型”生产者/消费者模式“-->管程法

• 生产者：负责生产数据的模块（可能是方法，对象，线程，进程）
• 消费者：负责处理数据的模块（可能是方法，对象，线程，进程）
• 缓冲区：消费者不能直接使用生产者的数据，他们之间有个“缓冲区”

生产者将生产好的数据放入缓冲区，消费者从缓冲区拿出数据

代码演示

//测试生产者消费者模型->利用缓冲区解决：管程法
//生产者，消费者，缓冲区，产品
public class TestPC {
    public static void main(String[] args) {
        SyContainer container=new SyContainer();
        new Productor(container,"生产者").start();
        new Consumer(container,"消费者").start();
    }
}

//生产者
class Productor extends Thread{
    SyContainer syContainer;

    public Productor(SyContainer syContainer,String name){
        super(name);
        this.syContainer=syContainer;
    }
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            syContainer.Push(new Chicken(i));
            System.out.println("生产了"+i+"只鸡");
        }
    }
}

//消费者
class Consumer extends Thread{
    SyContainer syContainer;

    public Consumer(SyContainer syContainer,String name){
        super(name);
        this.syContainer=syContainer;
    }
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println("消费了"+syContainer.Pop().id+"只鸡");
        }
    }
}

//产品
class Chicken{
    int id;

    public Chicken(int id) {
        this.id = id;
    }
}

//缓冲区
class SyContainer{
    //容器大小
    Chicken[] chickens=new Chicken[10];
    //容器计数器
    int count =0;

    //生产者放入产品
    public synchronized void Push(Chicken chicken){
        //如果容器满了，就需要等待消费者
        while (count == chickens.length) {
            //通知消费者消费，生产者等待
            try {
                this.wait();//this是使用Push方法的对象，此意是让出锁进入等待
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }//如果没有满则通知生产者丢入产品
        chickens[count]=chicken;
        count++;
        this.notifyAll();//通知同一个对象上所有调用wait方法的线程启动
    }

    //消费者消费产品
    public synchronized Chicken Pop(){
        while (count == 0) {
            //等待生产者生产，消费者等待
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        //可以消费
        count--;
        Chicken chicken = chickens[count];
        //吃完了，通知生产者生产
        this.notifyAll();
        return chicken;
    }
}

4.解决方式2

并发协作模型”生产者/消费者模式“-->信号灯法

代码演示

public class PCDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        TV tv = new TV();
        new Actor(tv).start();
        new Audience(tv).start();
    }
}

/**
 * 生产者--演员
 */
class Actor extends Thread {
    private TV tv;

    public Actor(TV tv) {
        this.tv = tv;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 1; i <= 20; i++) {
            if (i % 2 == 0) {
                tv.perform("快乐大本营");
            } else {
                tv.perform("抖音");
            }
        }
    }
}

/**
 * 消费者--观众
 */
class Audience extends Thread {
    private TV tv;

    public Audience(TV tv) {
        this.tv = tv;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 1; i <= 20; i++) {
            tv.watch();
        }
    }
}


/**
 * TV
 * 演员表演节目，观众等待
 * 观众观看节目，演员等待
 */
class TV {
    /**
     * 节目名称
     */
    private String showName;
    /**
     * 标志位
     */
    private boolean flag = true;

    /**
     * 生产者生产产品 -- 演员表演节目
     *
     * @param showName
     */
    public synchronized void perform(String showName) {
        if (!flag) {
            //演员等待，观众在观看
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        //演员开始表演节目
        this.showName = showName;
        System.out.println("演员表演了节目：" + this.showName);
        flag = !flag;
        //演员通知观众去观看
        this.notifyAll();
    }

    /**
     * 消费者消费产品--观众观看节目
     */
    public synchronized void watch() {
        if (flag) {
            //观众等待，演员在表演节目
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        //开始观看节目
        System.out.println("观众观看了节目：" + this.showName);
        flag = !flag;
        //观众通知演员表演
        this.notifyAll();
    }
}