生产者消费者问题Java三种实现
生产者-消费者Java实现
2017-07-27
1 概述
生产者消费者问题是多线程的一个经典问题，它描述是有一块缓冲区作为仓库，生产者可以将产品放入仓库，消费者则可以从仓库中取走产品。
解决生产者/消费者问题的方法可分为两类：
- 采用某种机制保护生产者和消费者之间的同步；
- 在生产者和消费者之间建立一个管道。
第一种方式有较高的效率，并且易于实现，代码的可控制性较好，属于常用的模式。第二种管道缓冲区不易控制，被传输数据对象不易于封装等，实用性不强。
在Java中有四种方法支持同步，其中前三个是同步方法，一个是管道方法。
- wait() / notify()方法
- await() / signal()方法
- BlockingQueue阻塞队列方法
- PipedInputStream / PipedOutputStream
本文只介绍前三种。
2 实现
2.1 wait() / notify()方法
wait() / nofity()方法是基类Object的两个方法：
- wait()方法：当缓冲区已满/空时，生产者/消费者线程停止自己的执行，放弃锁，使自己处于等等状态，让其他线程执行。
- notify()方法：当生产者/消费者向缓冲区放入/取出一个产品时，向其他等待的线程发出可执行的通知，同时放弃锁，使自己处于等待状态。
缓冲区Storage.java代码如下：
import java.util.LinkedList; public class Storage { // 仓库最大存储量 private final int MAX_SIZE = 100; // 仓库存储的载体 private LinkedList<Object> list = new LinkedList<Object>(); // 生产产品 public void produce(String producer) { synchronized (list) { // 如果仓库已满 while (list.size() == MAX_SIZE) { System.out.println("仓库已满，【"+producer+"】： 暂时不能执行生产任务!"); try { // 由于条件不满足，生产阻塞 list.wait(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } // 生产产品 list.add(new Object()); System.out.println("【"+producer+"】：生产了一个产品\t【现仓储量为】:" + list.size()); list.notifyAll(); } } // 消费产品 public void consume(String consumer) { synchronized (list) { //如果仓库存储量不足 while (list.size()==0) { System.out.println("仓库已空，【"+consumer+"】： 暂时不能执行消费任务!"); try { // 由于条件不满足，消费阻塞 list.wait(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } list.remove(); System.out.println("【"+consumer+"】：消费了一个产品\t【现仓储量为】:" + list.size()); list.notifyAll(); } } public LinkedList<Object> getList() { return list; } public void setList(LinkedList<Object> list) { this.list = list; } public int getMAX_SIZE() { return MAX_SIZE; } }
Test.java
public class Test { public static void main(String[] args) { Storage storage=new Storage(); for(int i=1;i<6;i++) { int finalI = i; new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { storage.produce(String.format("生成者%d:", finalI)); } }).start(); } for(int i=1;i<4;i++) { int finalI = i; new Thread(()-> storage.consume(String.format("消费者%d:", finalI))).start(); } } }
结果如下：
仓库已空，【消费者1】： 暂时不能执行消费任务!
【生产者3】：生产了一个产品 【现仓储量为】:1
【消费者2】：消费了一个产品 【现仓储量为】:0
仓库已空，【消费者3】： 暂时不能执行消费任务!
【生产者1】：生产了一个产品 【现仓储量为】:1
【生产者4】：生产了一个产品 【现仓储量为】:2
【生产者2】：生产了一个产品 【现仓储量为】:3
【生产者5】：生产了一个产品 【现仓储量为】:4
【消费者1】：消费了一个产品 【现仓储量为】:3
【消费者3】：消费了一个产品 【现仓储量为】:2
2.2 await() / signal()方法
await()和signal()的功能基本上和wait() / nofity()相同，完全可以取代它们，但是它们和新引入的锁定机制Lock直接挂钩，具有更大的灵活性。通过在Lock对象上调用newCondition()方法，将条件变量和一个锁对象进行绑定，进而控制并发程序访问竞争资源的安全。
缓冲区Storage.java代码如下：
import java.util.LinkedList; import java.util.concurrent.locks.Condition; import java.util.concurrent.locks.Lock; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; public class Storage { // 仓库最大存储量 private final int MAX_SIZE = 100; // 仓库存储的载体 private LinkedList<Object> list = new LinkedList<Object>(); // 锁 private final Lock lock = new ReentrantLock(); // 仓库满的条件变量 private final Condition full = lock.newCondition(); // 仓库空的条件变量 private final Condition empty = lock.newCondition(); // 生产产品 public void produce(String producer) { lock.lock(); // 如果仓库已满 while (list.size() == MAX_SIZE) { System.out.println("仓库已满，【" + producer + "】： 暂时不能执行生产任务!"); try { // 由于条件不满足，生产阻塞 full.await(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } // 生产产品 list.add(new Object()); System.out.println("【" + producer + "】：生产了一个产品\t【现仓储量为】:" + list.size()); empty.signalAll(); // 释放锁 lock.unlock(); } // 消费产品 public void consume(String consumer) { // 获得锁 lock.lock(); // 如果仓库存储量不足 while (list.size() == 0) { System.out.println("仓库已空，【" + consumer + "】： 暂时不能执行消费任务!"); try { // 由于条件不满足，消费阻塞 empty.await(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } list.remove(); System.out.println("【" + consumer + "】：消费了一个产品\t【现仓储量为】:" + list.size()); full.signalAll(); // 释放锁 lock.unlock(); } public LinkedList<Object> getList() { return list; } public void setList(LinkedList<Object> list) { this.list = list; } public int getMAX_SIZE() { return MAX_SIZE; } }
2.3 BlockingQueue
它是一个已经在内部实现了同步的队列，实现方式采用的是我们第2种await() / signal()方法。它可以在生成对象时指定容量大小。它用于阻塞操作的是put()和take()方法：
put()方法：类似于我们上面的生产者线程，容量达到最大时，自动阻塞。
take()方法：类似于我们上面的消费者线程，容量为0时，自动阻塞。
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue; public class Storage { // 仓库最大存储量 private final int MAX_SIZE = 100; // 仓库存储的载体 private LinkedBlockingQueue<Object> list = new LinkedBlockingQueue<Object>(100); // 生产产品 public void produce(String producer) { // 如果仓库已满 if (list.size() == MAX_SIZE) { System.out.println("仓库已满，【" + producer + "】： 暂时不能执行生产任务!"); } // 生产产品 try { list.put(new Object()); } catch (InterruptedException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } System.out.println("【" + producer + "】：生产了一个产品\t【现仓储量为】:" + list.size()); } // 消费产品 public void consume(String consumer) { // 如果仓库存储量不足 if (list.size() == 0) { System.out.println("仓库已空，【" + consumer + "】： 暂时不能执行消费任务!"); } try { list.take(); } catch (InterruptedException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } System.out.println("【" + consumer + "】：消费了一个产品\t【现仓储量为】:" + list.size()); } public LinkedBlockingQueue<Object> getList() { return list; } public void setList(LinkedBlockingQueue<Object> list) { this.list = list; } public int getMAX_SIZE() { return MAX_SIZE; } }
