生产者消费者问题Java三种实现

生产者-消费者Java实现

2017-07-27

1 概述

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生产者消费者问题是多线程的一个经典问题，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：

• 采用某种机制保护生产者和消费者之间的同步；
• 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。

在Java中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。

• wait() / notify()方法
• await() / signal()方法
• BlockingQueue阻塞队列方法
• PipedInputStream / PipedOutputStream

本文只介绍前三种。

2 实现

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2.1 wait() / notify()方法

wait() / nofity()方法是基类Object的两个方法：

• 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。

缓冲区Storage.java代码如下：

import java.util.LinkedList;

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>();

    // 生产产品
    public void produce(String producer)
    {
        synchronized (list)
        {
            // 如果仓库已满
            while (list.size() == MAX_SIZE)
            {
                System.out.println("仓库已满，【"+producer+"】： 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();
                }
            }

            // 生产产品            
            list.add(new Object());            

            System.out.println("【"+producer+"】：生产了一个产品	【现仓储量为】:" + list.size());

            list.notifyAll();
        }
    }

    // 消费产品
    public void consume(String consumer)
    {
        synchronized (list)
        {
            //如果仓库存储量不足
            while (list.size()==0)
            {
                System.out.println("仓库已空，【"+consumer+"】： 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();
                }
            }
            
            list.remove();
            System.out.println("【"+consumer+"】：消费了一个产品	【现仓储量为】:" + list.size());
            list.notifyAll();
        }
    }

    public LinkedList<Object> getList()
    {
        return list;
    }

    public void setList(LinkedList<Object> list)
    {
        this.list = list;
    }

    public int getMAX_SIZE()
    {
        return MAX_SIZE;
    }
}

Test.java

public class Test {
    public static void main(String[] args)
    {
        Storage storage=new Storage();

        for(int i=1;i<6;i++)
        {
            int finalI = i;
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    storage.produce(String.format("生成者%d:", finalI));
                }
            }).start();
        }

        for(int i=1;i<4;i++)
        {
            int finalI = i;
            new Thread(()-> storage.consume(String.format("消费者%d:", finalI))).start();
        }
    }
}

结果如下：

仓库已空，【消费者1】： 暂时不能执行消费任务!
【生产者3】：生产了一个产品    【现仓储量为】:1
【消费者2】：消费了一个产品    【现仓储量为】:0
仓库已空，【消费者3】： 暂时不能执行消费任务!
【生产者1】：生产了一个产品    【现仓储量为】:1
【生产者4】：生产了一个产品    【现仓储量为】:2
【生产者2】：生产了一个产品    【现仓储量为】:3
【生产者5】：生产了一个产品    【现仓储量为】:4
【消费者1】：消费了一个产品    【现仓储量为】:3
【消费者3】：消费了一个产品    【现仓储量为】:2

2.2 await() / signal()方法

await()和signal()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。

缓冲区Storage.java代码如下：

import java.util.LinkedList;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

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();

    // 生产产品
    public void produce(String producer) {
        lock.lock();
        // 如果仓库已满
        while (list.size() == MAX_SIZE) {
            System.out.println("仓库已满，【" + producer + "】： 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();
            }
        }

        // 生产产品
        list.add(new Object());

        System.out.println("【" + producer + "】：生产了一个产品	【现仓储量为】:" + list.size());

        empty.signalAll();

        // 释放锁
        lock.unlock();

    }

    // 消费产品
    public void consume(String consumer) {
        // 获得锁
        lock.lock();

        // 如果仓库存储量不足
        while (list.size() == 0) {
            System.out.println("仓库已空，【" + consumer + "】： 暂时不能执行消费任务!");
            try {
                // 由于条件不满足，消费阻塞
                empty.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        list.remove();
        System.out.println("【" + consumer + "】：消费了一个产品	【现仓储量为】:" + list.size());
        full.signalAll();
        
        // 释放锁
        lock.unlock();

    }

    public LinkedList<Object> getList() {
        return list;
    }

    public void setList(LinkedList<Object> list) {
        this.list = list;
    }

    public int getMAX_SIZE() {
        return MAX_SIZE;
    }
}

2.3 BlockingQueue

它是一个已经在内部实现了同步的队列，实现方式采用的是我们第2种await() / signal()方法。它可以在生成对象时指定容量大小。它用于阻塞操作的是put()和take()方法：

put()方法：类似于我们上面的生产者线程，容量达到最大时，自动阻塞。

take()方法：类似于我们上面的消费者线程，容量为0时，自动阻塞。

import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

public class Storage {
    // 仓库最大存储量
    private final int MAX_SIZE = 100;

    // 仓库存储的载体
    private LinkedBlockingQueue<Object> list = new LinkedBlockingQueue<Object>(100);  

    // 生产产品
    public void produce(String producer) {
        // 如果仓库已满
        if (list.size() == MAX_SIZE) {
            System.out.println("仓库已满，【" + producer + "】： 暂时不能执行生产任务!");            
        }

        // 生产产品
        try {
            list.put(new Object());
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("【" + producer + "】：生产了一个产品	【现仓储量为】:" + list.size());
    }

    // 消费产品
    public void consume(String consumer) {
        // 如果仓库存储量不足
        if (list.size() == 0) {
            System.out.println("仓库已空，【" + consumer + "】： 暂时不能执行消费任务!");            
        }

        try {
            list.take();
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("【" + consumer + "】：消费了一个产品	【现仓储量为】:" + list.size());        

    }

    public LinkedBlockingQueue<Object> getList() {
        return list;
    }

    public void setList(LinkedBlockingQueue<Object> list) {
        this.list = list;
    }
    public int getMAX_SIZE() {
        return MAX_SIZE;
    }
}