java多线程：线程间通信——生产者消费者模型

一、背景 && 定义

多线程环境下，只要有并发问题，就要保证数据的安全性，一般指的是通过 synchronized 来进行同步。

另一个问题是，多个线程之间如何协作呢？

我们看一个仓库出货问题（更具体一些，快餐店直接放好炸货的架子，不过每次只放一份）

假设仓库中只能存放一件商品，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进行消费；
如果仓库中没有商品，那么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，消费者可快速取走并消费，否则停止消费并等待，直到仓库中再次放入产品为止。

这其实就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互相依赖，互为条件。

如果一个快餐店：
先点单，餐出来之后再收钱。这种模式叫BIO-阻塞IO模式。
如果一个快餐店：
先收钱，收完钱消费者在旁边等。这种就是生产者-消费者模式。

这类问题里，同步的候只有 synchronized 是不够的，因为他虽然能解决资源的共享问题，实现资源的同步更新，但是无法在不同线程之间进行消息传递（通信）。

所以只有我们之前所说的加锁和排队是不够的，还要有通知。

定义：

生产者和消费者在同一时间段内共用同一个存储空间，生产者往存储空间中添加产品，消费者从存储空间中取走产品，当存储空间为空时，消费者阻塞，当存储空间满时，生产者阻塞。

为了解决双方能力不等而等待的问题，引入对应的解决方案。生产者消费者模型是一种并发协作模型。

二、解决方式介绍

2.1 管程法

生产者：负责生产数据的模块（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（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，它们之间有个“缓冲区”（缓冲区一般是队列）。

生产者和消费者都是通过缓冲区进行数据的放和拿。

这样的话，一来可以避免旱的旱死，涝的涝死的问题：不管哪一方过快或者过慢，缓冲区始终有一部分数据；二来能够达到生产者和消费者的解耦，不再直接通信，从而提高效率。

因为容器相当于一个输送商品的管道，所以成为管程法。

2.2 信号灯法

采用类似红灯绿灯的模式，决定车走还是人走。

管程法使用容器的状态来控制，数据在容器中；
而信号灯法只是用信号来给生产者和消费者提醒，他们的交互数据并不由信号灯来保管。

2.3 Object类

jdk 里面 Object 类老早就有提供解决线程间通信的问题的方法：

wait()：表示线程一直等待，直到其他线程通知（也就是调用了notify或者notifyAll方法），与sleep不同，会释放锁；
wait(long timeout)：指定时间；
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。

这几个方法都是在同步方法或者同步代码块中使用，否则会抛出异常。

（很多面试题问 Java 的 Object 类有哪些方法，都是希望得到关于这块的答案，引到多线程）

三、管程法实现

管程法实现的四个角色：

生产者和消费者都是多线程；
中间的缓冲区应该是一个容器，并且需要的是一个并发容器，java.util.concurrent包里面已经提供了；
资源，也就是各个角色来回交换的商品。

利用 Object 类的几个方法，来实现管程法，以下是代码示例：

/**
* 协作模型：生产者消费者模型实现：管程法
*/
public class Cooperation1 {
    public static void main(String[] args) {
        Container container = new Container();
        new Producer(container).start();
        new Consumer(container).start();
    }
}

/**
* 生产者
*/
class Producer extends Thread{
    Container container;
    public Producer(Container container){
        this.container = container;
    }
    @Override
    public void run() {
        //生产过程
        for (int i=0; i<10; i++){
            System.out.println("生产第 " + i + " 个馒头");
            container.push(new Hamburger(i));
        }
    }
}

/**
* 消费者
*/
class Consumer extends Thread{
    Container container;
    public Consumer(Container container){
        this.container = container;
    }
    @Override
    public void run() {
        //消费过程
        for (int i=0; i<10; i++){
            System.out.println("消费第 " + container.pop().id + " 个馒头");
        }
    }
}

/**
* 缓冲区，操作商品，并和生产者、消费者交互
*/
class Container{
    Hamburger[] food = new Hamburger[10];
    private int count = 0;
    //存储：生产
    public synchronized void push(Hamburger hamburger){
        if (count == food.length){
            try {
                this.wait();//阻塞，但是等待消费者通知后会解除
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        food[count++] = hamburger;
        this.notifyAll();//说明存在数据了，通知消费者消费
    }
    //获取：消费
    public synchronized Hamburger pop(){
        if (count ==0 ){
            try {
                this.wait();//阻塞，直到生产者通知后会解除
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        Hamburger ans = food[--count];
        this.notifyAll();//存在空余空间了，通知生产者生产
        return ans;
    }
}

/**
* 商品
*/
class Hamburger{
    int id;
    public Hamburger(int id) {
        this.id = id;
    }
}

其中的核心有这么几点：

容器相当于一个栈，是后进先出的；
容器的两个方法对于资源的操作，一个和生产者交互，一个和消费者交互，除了 synchronized 修饰，因为两个方法是互斥的，所以利用 wait 和 notify 方法使他们完成阻塞和解除阻塞；
生产者和容器交互，添加数据；
消费者和容器交互，删除数据。

前面关于线程的阻塞问题，生命周期里的阻塞，完整的可能情况，就包含这里的阻塞情况：

四、信号灯法实现

和上一种通过容器的容量让线程之间互相通知的方法不同，信号灯法没有用数据缓存的方式，而是用信号灯来指示双方，对方是否已经准备好了要和你通信。

下面是一个电视直播和观众的代码示例，通过信号灯，通知演员和观众直播，确保演员在演的时候，让观众来看。

/**
* 协作模型：生产者消费者实现：信号灯法
*/
public class Cooperation2 {
    public static void main(String[] args) {
        TV tv = new TV();
        new Actor(tv).start();
        new Fans(tv).start();
    }
}
/**
* 生产者：演员
*/
class Actor extends Thread{
    TV tv;
    public Actor(TV tv){
        this.tv = tv;
    }
    @Override
    public void run() {
        for (int i=0; i<10; i++){
            if (i%2 == 0){
                this.tv.play("节目 " + i);
            }else{
                this.tv.play("广告 " + i);
            }
        }
    }
}
/**
* 消费者：观众
*/
class Fans extends Thread{
    TV tv;
    public Fans(TV tv){
        this.tv = tv;
    }
    @Override
    public void run() {
        for (int i=0; i<10; i++){
            tv.watch();
        }
    }
}

/**
* 共同资源：电视直播
*/
class TV{
    String voice;
    //信号灯，如果为真则演员准备，观众等待
    //如果为假，则观众就位，演员等待
    boolean flag = true;

    //表演方法：针对生产者
    public synchronized void play(String voice){
        //演员等待
        if (!flag){
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        this.voice = voice;
        System.out.println("表演 "+voice +" ing");
        //唤醒观众
        this.notifyAll();
        this.flag = !flag;
    }

    //观看方法：针对消费者
    public synchronized void watch(){
        //观众等待
        if (flag){
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println("观看 " + voice +" ing");
        this.notifyAll();
        this.flag = !flag;
    }
}

可以看到，相比管程法的核心区别是：

TV 没有用一个容器存储数据，只是通过生产者是否生产，来决定信号灯的标志，以此通知消费者来消费。

显然这两种实现方法，有不同的适用场景，那就是决定于生产者消费者是否有数据沟通。

五、虚假唤醒问题

对于上面的代码，一个生产者和一个消费者的模型，程序是没有问题的。

但是如果说我们把生产者和消费者线程的个数都增加的话，就会出现问题，可能会出现多生产（一个消费者买到的时候得到的number>1）、或出现逻辑错误（一个消费者买的时候number<0），这个执行结果碰运气，可能不会出现，也可能出现很离谱的结果。

为什么呢？

因为 Object 类的 wait 和 notifyall 方法，可能会产生虚假唤醒的情况。所谓虚假唤醒，就是我们采用 if 进行的这种写法：

如果只有两个线程，那么一个 wait ，等待另一个唤醒它，就能够完成生产者和消费者的协作；
但如果是再多个线程，当某一个线程执行完毕，调用 notifyAll:
1. 本来我们希望的是只唤醒对立面的角色;
2. 但是 notifyall 唤醒了所有的线程;
3. 结合 if 的 bug，被唤醒之后，if 已经判断过了，因此会跳出去，导致好几个生产者都执行++，或者好几个消费者都执行--。
4. 这就叫虚假唤醒，本质就是 if 值判断一次，进入分支体之后就失效。

解决方案，其实就是官方文档给出的使用 wait 和 notify 时候伴随条件的推荐写法，那就是使用 while 循环而不是 if。

这样无论多少个线程，能保证生产者和消费者问题的安全性。

posted @ 2020-08-19 11:08 Life_Goes_On 阅读(1119) 评论(0) 编辑收藏举报

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