生产者与消费者（一）---wait与notify

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

本文先介绍第一种wait() / notify()方法，其他三种后面再讨论。

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，使自己处于等待状态，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。

代码示例：

缓冲区（仓库）：

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
    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();
                }
            }  

            // 仓库剩余容量充足，即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(); //生产完产品后，通知其他被阻塞的线程
        }
    }  

    // 消费num个产品
    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暂时不能执行消费任务!");
                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();//消费完后，释放锁，通知其他被阻塞的线程
        }
    }  

    // 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;
    }
}

生产者：

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;
    }  

}

消费者：

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;
    }
}

测试类：

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();
    }
}

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？

因为如果在需要更新生产或者消费方法时，只需要更新仓库类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。这样我们就知道为什么要在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。无意之中，好像使用了一种叫做策略模式的设计模式！