线程协作(生产者消费者模式)
在实际的软件开发过程中,经常会碰到如下场景:某个模块负责产生数据,这些数据由另一个模块来负责处理(此处的模块是广义的,可以是类、函数、线程、进程等)。产生数据的模块,就形象地称为生产者;而处理数据的模块,就称为消费者。
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。
线程池与生产消费者模式
Java中的线程池类其实就是一种生产者和消费者模式的实现方式,但是我觉得其实现方式更加高明。生产者把任务丢给线程池,线程池创建线程并处理任务,如果将要运行的任务数大于线程池的基本线程数就把任务扔到阻塞队列里,这种做法比只使用一个阻塞队列来实现生产者和消费者模式显然要高明很多,因为消费者能够处理直接就处理掉了,这样速度更快,而生产者先存,消费者再取这种方式显然慢一些。
我们的系统也可以使用线程池来实现多生产者消费者模式。比如创建N个不同规模的Java线程池来处理不同性质的任务,比如线程池1将数据读到内存之后,交给线程池2里的线程继续处理压缩数据。线程池1主要处理IO密集型任务,线程池2主要处理CPU密集型任务。
线程通信
生产者和消费者之间通过缓冲区(通常是一个阻塞队列)实现通讯,生产者将产生的数据放入缓冲区,消费者从缓冲区中获取数据。
(图片来源网络)
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应用场景:生产者消费者问题
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- 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.
- 如果产品中放有产品,则消费者可以将产品取走消费,否则停止消费并等待,直到仓库再次放入产品为止.
线程通信-分析
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这是一个线程同步问题,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.
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对于生产者,没有产品之前,要通知消费者等待。而生产了产品之后,又需要马上通知消费者消费。
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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另外的消费者来消费
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在生产者消费者问题中,仅有synchronized是不够的
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- synchronized 可阻止并发更新同一个资源,实现了同步
- synchronized 不能用来实现不同线程之间的消息传递(通信)
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Java提供了几个方法解决线程之间的通信问题
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
**解决方式1:**管程法
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
package test;
//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 , 产品 , 缓冲区
public class TestTubeMethod {
public static void main(String[] args) {
SynContainer container = new SynContainer();
new Producer(container).start();
new Consumer(container).start();
}
}
//生产者
class Producer extends Thread {
SynContainer container;
public Producer(SynContainer container) {
this.container = container;
}
//生产
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
container.push(new Chicken(i));
System.out.println("生产了第" + i + "只鸡");
}
}
}
//消费者
class Consumer extends Thread {
SynContainer container;
public Consumer(SynContainer container) {
this.container = container;
}
//消费
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println("消费了第-->" + container.pop().id + "只鸡");
}
}
}
//产品
class Chicken {
int id;//编号
public Chicken(int id) {
this.id = id;
}
}
//缓冲区
class SynContainer {
//需要一个容器大小
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,就需要等待消费者消费
if (count == chickens.length) {
//生产者等待
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
//如果没有满,我们需要丢入产品
chickens[count] = chicken;
count++;
//可以通知消费者消费了.
this.notifyAll();
}
//消费者消费产品
public synchronized Chicken pop() {
//判断能否消费
if (count == 0) {
//消费者等待
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
//如果可以消费
count--;
Chicken chicken = chickens[count];
//吃完了,通知生产者生产
this.notifyAll();
return chicken;
}
}
解决方式2:信号灯法
并发协作模型"生产者/消费这模式"–>信号灯法
- 来判断一个标志位flag,如果为true,就让他等待、如果为false,就让他去通知另外一个人、把两人衔接起来,就像咱们的信号灯红灯停,绿灯行,通过这样一个判断方式,只要来判断什么时候让他等待,什么时候将他唤醒就ok。
package test;
//测试生产者消费者问题2:信号灯法,通过标志位解决
public class TestSignalLampMethod {
public static void main(String[] args) {
TV tv = new TV();
new Player(tv).start();
new Watcher(tv).start();
}
}
//生产者-->演员
class Player extends Thread {
TV tv;
public Player(TV tv) {
this.tv = tv;
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 20; i++) {
if (i % 2 == 0) {
this.tv.play("虎牙直播中。。。");
} else {
this.tv.play("抖音:记录美好生活");
}
}
}
}
//消费者-->观众
class Watcher extends Thread {
TV tv;
public Watcher(TV tv) {
this.tv = tv;
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 20; i++) {
tv.watch();
}
}
}
//产品-->节目
class TV {
//演员表演,观众等待 T
//观众观看,演员等待 F
String voice; // 表演的节目
boolean flag = true;
//表演
public synchronized void play(String voice) {
if (!flag) {
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println("演员表演了:" + voice);
//通知观众观看
this.notifyAll();
this.voice = voice;
this.flag = !this.flag;
}
//观看
public synchronized void watch() {
if (flag) {
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println("观众观看了:" + voice);
//通知演员表演
this.notifyAll();
this.flag = !this.flag;
}
}
扩展博客推荐:Java 理解生产者-消费者设计模式