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段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。

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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。

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。

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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！