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[Java教程]java 生产者消费者问题 并发问题的解决


引言

  生产者和消费者问题是线程模型中的经典问题:生产者和消费者在同一时间内共用同一个存储空间,如下图所示,生产者向空间里存放数据,而消费者取用数据,如果不加以协调可能会出现以下情况:

生产者消费者图

  存储空间已满,而生产者占用着它,消费者等着生产者让出空间从而去除产品,生产者等着消费者消费产品,从而向空间中添加产品。互相等待,从而发生死锁

  生产者消费者问题是研究多线程程序时绕不开的经典问题之一,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:

  (1)采用某种机制保护生产者和消费者之间的同步;

  (2)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。因此本文只介绍同步机制实现的生产者/消费者问题。

  同步问题核心在于:如何保证同一资源被多个线程并发访问时的完整性。常用的同步方法是采用信号或加锁机制,保证资源在任意时刻至多被一个线程访问。Java语言在多线程编程上实现了完全对象化,提供了对同步机制的良好支持。在Java中一共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。

(1)wait() / notify()方法

(2)await() / signal()方法

(3)BlockingQueue阻塞队列方法

(4)PipedInputStream / PipedOutputStream

本文只介绍最常用的前两种种,第三、四种暂不做讨论,有兴趣的读者可以自己去网上找答案。

 

一、wait() / notify()方法

  wait() / nofity()方法是基类Object的两个方法,也就意味着所有Java类都会拥有这两个方法,这样,我们就可以为任何对象实现同步机制。

  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。

 

代码实现:

1、仓库类

import java.util.LinkedList; /** * 仓库类Storage实现缓冲区 *  * @author zcr */ 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num个产品   * @param num 生产产品的数量   */  public void produce(int num)   {     // 同步代码段     synchronized (list)     {       // 如果仓库剩余容量不足       while (list.size() + num > MAX_SIZE)       {         System.out.println("【要生产的产品数量】:" + num + " \t 【库存量】:"             + list.size() + "\t 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();         }       }        // 生产条件满足情况下,生产num个产品       for (int i = 1; i <= num; ++i)       {         list.add(new Object());       }        System.out.println("【已经生产产品数】:" + num + "\t 【现仓储量为】:" + list.size());        list.notifyAll();     }   }    /**   * 消费num个产品   * @param num 消费产品数量   */  public void consume(int num)   {     // 同步代码段     synchronized (list)     {       // 如果仓库存储量不足       while (list.size() < num)       {         System.out.println("【要消费的产品数量】:" + num + " \t【库存量】:"             + list.size() + " \t 暂时不能执行生产任务!");         try         {           // 由于条件不满足,消费阻塞           list.wait();         }         catch (InterruptedException e)         {           e.printStackTrace();         }       }        // 消费条件满足情况下,消费num个产品       for (int i = 1; i <= num; ++i)       {         list.remove();       }        System.out.println("【已经消费产品数】:" + num + " \t 【现仓储量为】:" + list.size());        list.notifyAll();     }   }    // get/set方法   public LinkedList<Object> getList()   {     return list;   }    public void setList(LinkedList<Object> list)   {     this.list = list;   }    public int getMAX_SIZE()   {     return MAX_SIZE;   } } 

 

2、生产者

/** * 生产者类Producer继承线程类Thread *  *  * @author zcr *  */ public class Producer extends Thread {   // 每次生产的产品数量   private int num;    // 所在放置的仓库   private Storage storage;    // 构造函数,设置仓库   public Producer(Storage storage)   {     this.storage = storage;   }    // 线程run函数   public void run()   {     produce(num);   }    // 调用仓库Storage的生产函数   public void produce(int num)   {     storage.produce(num);   }    // get/set方法   public int getNum()   {     return num;   }    public void setNum(int num)   {     this.num = num;   }    public Storage getStorage()   {     return storage;   }    public void setStorage(Storage storage)   {     this.storage = storage;   } } 

 

 

3、消费者

/** * 消费者类Consumer继承线程类Thread *  *  * @author zcr *  */ public class Consumer extends Thread {   // 每次消费的产品数量   private int num;    // 所在放置的仓库   private Storage storage;    // 构造函数,设置仓库   public Consumer(Storage storage)   {     this.storage = storage;   }    // 线程run函数   public void run()   {     consume(num);   }    // 调用仓库Storage的生产函数   public void consume(int num)   {     storage.consume(num);   }    // get/set方法   public int getNum()   {     return num;   }    public void setNum(int num)   {     this.num = num;   }    public Storage getStorage()   {     return storage;   }    public void setStorage(Storage storage)   {     this.storage = storage;   } } 

 

 

4、测试类

/** * 测试类Test * @author zcr *  */ public class Test {   public static void main(String[] args)   {     // 仓库对象     Storage storage = new Storage();      // 生产者对象     Producer p1 = new Producer(storage);     Producer p2 = new Producer(storage);     Producer p3 = new Producer(storage);     Producer p4 = new Producer(storage);     Producer p5 = new Producer(storage);     Producer p6 = new Producer(storage);     Producer p7 = new Producer(storage);      // 消费者对象     Consumer c1 = new Consumer(storage);     Consumer c2 = new Consumer(storage);     Consumer c3 = new Consumer(storage);      // 设置生产者产品生产数量     p1.setNum(10);     p2.setNum(10);     p3.setNum(10);     p4.setNum(10);     p5.setNum(10);     p6.setNum(10);     p7.setNum(80);      // 设置消费者产品消费数量     c1.setNum(50);     c2.setNum(20);     c3.setNum(30);      // 线程开始执行     c1.start();     c2.start();     c3.start();     p1.start();     p2.start();     p3.start();     p4.start();     p5.start();     p6.start();     p7.start();   } } 

 

 

5、结果:

【要消费的产品数量】:50   【库存量】:0   暂时不能执行生产任务!【要消费的产品数量】:20   【库存量】:0   暂时不能执行生产任务!【已经生产产品数】:10   【现仓储量为】:10【要消费的产品数量】:20   【库存量】:10   暂时不能执行生产任务!【要消费的产品数量】:50   【库存量】:10   暂时不能执行生产任务!【已经生产产品数】:10   【现仓储量为】:20【已经生产产品数】:10   【现仓储量为】:30【要消费的产品数量】:50   【库存量】:30   暂时不能执行生产任务!【已经消费产品数】:20   【现仓储量为】:10【已经生产产品数】:10   【现仓储量为】:20【已经生产产品数】:10   【现仓储量为】:30【要消费的产品数量】:50   【库存量】:30   暂时不能执行生产任务!【已经生产产品数】:10   【现仓储量为】:40【已经消费产品数】:30   【现仓储量为】:10【要消费的产品数量】:50   【库存量】:10   暂时不能执行生产任务!【已经生产产品数】:80   【现仓储量为】:90【已经消费产品数】:50   【现仓储量为】:40

 

  看完上述代码,对wait() / notify()方法实现的同步有了了解。你可能会对Storage类中为什么要定义public void produce(int num);和public void consume(int num);方法感到不解,为什么不直接在生产者类Producer和消费者类Consumer中实现这两个方法,却要调用Storage类中的实现呢?淡定,后文会有解释。我们先往下走。

 


 

二、await() / signal()方法

  在JDK5.0之后,Java提供了更加健壮的线程处理机制,包括同步、锁定、线程池等,它们可以实现更细粒度的线程控制。await()和signal()就是其中用来做同步的两种方法,它们的功能基本上和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

  下面来看代码:  

  只需更新仓库类Storage的代码即可,生产者Producer、消费者Consumer、测试类Test的代码均不需要进行任何更改。

仓库类

import java.util.LinkedList;import java.util.concurrent.locks.Condition;import java.util.concurrent.locks.Lock;import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;/** * 仓库类Storage实现缓冲区 * * * @author MONKEY.D.MENG 2011-03-15 * */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num个产品  public void produce(int num)  {    // 获得锁    lock.lock();    // 如果仓库剩余容量不足    while (list.size() + num > MAX_SIZE)    {      System.out.println("【要生产的产品数量】:" + num + "/t【库存量】:" + list.size()          + "/t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();      }    }    // 生产条件满足情况下,生产num个产品    for (int i = 1; i <= num; ++i)    {      list.add(new Object());    }    System.out.println("【已经生产产品数】:" + num + "/t【现仓储量为】:" + list.size());    // 唤醒其他所有线程    full.signalAll();    empty.signalAll();    // 释放锁    lock.unlock();  }  // 消费num个产品  public void consume(int num)  {    // 获得锁    lock.lock();    // 如果仓库存储量不足    while (list.size() < num)    {      System.out.println("【要消费的产品数量】:" + num + "/t【库存量】:" + list.size()          + "/t暂时不能执行生产任务!");      try      {        // 由于条件不满足,消费阻塞        empty.await();      }      catch (InterruptedException e)      {        e.printStackTrace();      }    }    // 消费条件满足情况下,消费num个产品    for (int i = 1; i <= num; ++i)    {      list.remove();    }    System.out.println("【已经消费产品数】:" + num + "/t【现仓储量为】:" + list.size());    // 唤醒其他所有线程    full.signalAll();    empty.signalAll();    // 释放锁    lock.unlock();  }  // set/get方法  public int getMAX_SIZE()  {    return MAX_SIZE;  }  public LinkedList<Object> getList()  {    return list;  }  public void setList(LinkedList<Object> list)  {    this.list = list;  }}

 

 

结果:

【要消费的产品数量】:50/t【库存量】:0/t暂时不能执行生产任务!【已经生产产品数】:10/t【现仓储量为】:10【已经生产产品数】:10/t【现仓储量为】:20【要消费的产品数量】:30/t【库存量】:20/t暂时不能执行生产任务!【已经消费产品数】:20/t【现仓储量为】:0【已经生产产品数】:10/t【现仓储量为】:10【已经生产产品数】:10/t【现仓储量为】:20【要消费的产品数量】:50/t【库存量】:20/t暂时不能执行生产任务!【已经生产产品数】:10/t【现仓储量为】:30【已经生产产品数】:10/t【现仓储量为】:40【要生产的产品数量】:80/t【库存量】:40/t暂时不能执行生产任务!【已经消费产品数】:30/t【现仓储量为】:10【要消费的产品数量】:50/t【库存量】:10/t暂时不能执行生产任务!【已经生产产品数】:80/t【现仓储量为】:90【已经消费产品数】:50/t【现仓储量为】:40

 

  

  这样我们就知道为神马我要在Storage类中定义public void produce(int num);和public void consume(int num);方法,并在生产者类Producer和消费者类Consumer中调用Storage类中的实现了吧。将可能发生的变化集中到一个类中,不影响原有的构架设计,同时无需修改其他业务层代码。

 


 

总结

  两种方式原理一致,都是对独占空间加锁,阻塞和唤醒线程,第一种方式比较传统,第二种方式速度比较快。

 

  致谢:感谢您的耐心阅读!