java生产者与消费者模式
前言: 生产者和消费者模式是我们在学习多线程中很经典的一个模式,它主要分为生产者和消费者,分别是两个线程,
目录
一:生产者和消费者模式简介
二:生产者和消费者模式的实现
声明:本例来源于java经典著作:《Think in java》,接下来将会采用本例子将会借鉴其中的案例进行分析
首先我们来设想有一个这样的场景:一个饭店里有一个做饭的厨师和来吃饭的人,服务员负责端食物,这里就可以把厨师当做生产者,(这里暂且把服务员当做消费者),而食物则有这样的过程,被厨师生产出来,然后被服务员消费。当食物存在的时候,厨师等待,不再进行生产,服务员进行消费。当食物为空的时候,厨师开始生产食物,服务员等待。这中间就存在着一个线程之间协作的过程。我们来通过代码进行模拟:
首先是新建两个线程,一个厨师线程,一个服务员线程,双方进行协作:
以下是厨师线程:
public class Chef implements Runnable{ //product private Restaurant restaurant; private int count=0; public Chef(Restaurant restaurant) { this.restaurant = restaurant; } @Override public void run() { try { while (!Thread.interrupted()) { synchronized (this) { while (restaurant.meal != null) { wait(); } if (++count==10){ System.out.println("out of food,closing"); restaurant.exec.shutdownNow(); } System.out.println("Chef product meal"+count); synchronized (restaurant.waitPerson){ restaurant.meal= new Meal(count); restaurant.waitPerson.notifyAll(); } TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(100); } } }catch (InterruptedException e){ System.out.println("Chef interruped"); } } }
以下是服务员线程:
public class WaitPerson implements Runnable{ private Restaurant restaurant; public WaitPerson(Restaurant restaurant) { this.restaurant = restaurant; } @Override public void run() { try{ while (!Thread.interrupted()) { synchronized (this) { while (restaurant.meal == null) { wait(); } System.out.println("waitPerson got:"+restaurant.meal); } synchronized (restaurant.chef){ restaurant.meal=null; restaurant.chef.notifyAll(); } } } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); System.out.println("waitPerson interrupdate"); } } }
我们来分析一下厨师线程,主要看它的run方法,里面包含着一个try、catch块,首先它会一直捕获线程的状态,当它不处于interrupted(线程中断,此时无法运转)异常时,往下走。然后取得当前对象的锁,把它上锁,通过一个while循环,取得餐馆里面的meal,判断其是否为null.当餐馆里面的餐还有剩余的时候,此时生产者不需要工作,它处于wait状态,注意wait和Thread.sleep的区别,sleep方法运行的时候线程是不会丢弃锁的,而wait方法会释放锁,所以此时,被锁住的对象运行到wait方法,它已经释放了锁,因此消费者可以获取到锁。
再接着count会进行累加1。再接着锁住服务员线程,此时服务员线程获取锁的主动权,它通过notifyAll方法唤醒所有的在锁上等待线程,注意此处为什么是notifyAll而不是notify,这主要是因为此刻厨师线程并不知道等待的线程究竟是几条,为了线程安全起见,唤醒所有的等待线程。注意的是:notifyAll会唤醒所有线程,但是运行的只是其中一个,关于这个线程的筛选,是完全随机的。
唤醒了消费者线程,它就会运行到消费者线程,然后我们来看一下它的run方法,和之前的厨师线程差不多,依然是锁住当前的消费者线程,不过线程此时的条件变成了meal为null。接着再获取厨师的锁,使其meal为null,再唤醒厨师线程,接着程序就会运转到厨师线程,执行厨师的run方法。
再来看看Restaurant类:
public class Restaurant{ Meal meal; ExecutorService exec =Executors.newCachedThreadPool(); WaitPerson waitPerson=new WaitPerson(this); Chef chef=new Chef(this); public Restaurant(){ exec.execute(chef); exec.execute(waitPerson); } public static void main(){ new Restaurant();
} }
这里创建了一个缓存线程池,然后在Restaurant的构造方法中开始执行线程命令,首先会从Chef开始生产,紧接着服务员消费,通过wait/notify进行线程之间的同步:
程序执行的结果:
Chef product meal1
waitPerson got:Meal1
Chef product meal2
waitPerson got:Meal2
Chef product meal3
waitPerson got:Meal3
Chef product meal4
waitPerson got:Meal4
Chef product meal5
waitPerson got:Meal5
Chef product meal6
waitPerson got:Meal6
Chef product meal7
waitPerson got:Meal7
Chef product meal8
waitPerson got:Meal8
Chef product meal9
waitPerson got:Meal9
out of food,closing
Chef product meal10
Chef interruped
waitPerson interrupdate
可以看到结果,线程有条不紊的运行,生产者每生产一个meal,发出order up信号,然后消费者消费这个meal,再轮到生产者,再到消费者,这就是生产者和消费者的模式的意义,它们之间同步工作,不会出现消费者线程没有meal的时候仍然去消费,生产者在有meal的时候依然去生产,这样就会产生线程安全的问题。
三:关于线程之间的通信
3.1:wait和notfiy方法
查询jdk可以看出,wait和notify方法都是object的方法,也就是说java所有的对象都可以继承这个方法。每个对象运行的时候都可以关联一个线程,调用wait方法就可以使当前线程处于等待状态,等待的时候它的它会释放掉锁,此时其它对象可以获取线程锁。而wait方法和notify是进行相互沟通的,只有notify/notifyAll方法才能唤醒被wait方法等待的线程,notify会唤醒这个线程。
注意看它的解释:唤醒在此对象监视器上等待的单个/所有线程,那么问题来了。监视器又是什么?
3.2:java监视器
3.2.1:对监视器的解释
监视器:monitor
锁:lock(JVM里只有一种独占方式的lock)
进入监视器:entermonitor
离开/释放监视器:leavemonitor
(entermonitor和leavemonitor是JVM的指令)
拥有者:owner
在JVM里,monitor就是实现lock的方式
entermonitor就是获得某个对象的lock(owner是当前线程)
leavemonitor就是释放某个对象的lock
3.2.2:通俗的解释
上面的这段话比较精简,其实理解起来很简单。有这样一句话:程序即生活,我们把它代入到生活实际中试衣间来思考一下,其实不难理解这段话。我们去一个商城购买衣服,选择好了,我们去试衣间,此刻好比对象entermonitor ,执行进入监视器这个指令,我们离开试衣间,就好比执行leavemonitor指令,这个monitor是一个狭小的空间,当一个对象进入的时候,其它对象就不能进入了。这其中的原理实现了队列等待和竞争的,线程进入会先排队,如果有线程进入监视器,当前线程就会等待,如果没有就直接进入,新来的线程会和已经等待的线程进行竞争,但是最后只有一个能进入,进入监视器的线程可以访问它的所有数据,包括类变量和实例变量。这也就实现了锁的原理。
3.3:线程协作解决的问题
3.3.1:线程数据访问的紊乱
假如没有协作的话,数据之间的访问一定会出现紊乱,比如生产者会可能在有很多meal的时候仍然会生产meal,消费者会在没有meal的时候依然进行消费,这都是我们在多线程的程序中不愿看到的,因为它会有很多不预期的事情发生
3.3.2:数据会错位
数据之间会错位,这体现在生产者会消费meal,而消费者会生产meal。此刻他们不能各自履行各自的职责,这也是我们极度不愿意看到的,而不采用保障措施就会有这样问题的出现。
可以看到
四:总结
本篇博客主要引用《Thinking in java》中的一段进行讲解,讲了线程之间的通信与协作的问题,如何合理运用wait和notify方法进行线程之间的通信,实现一个系统有条不紊的运行。这其中的最关键点在于理解锁的释放与获取的过程,以及线程的切换,生产者和消费者的相互沟通,协同工作的原理。