生产者 - 消费者模型 Producer-consumer problem
是一个非常经典的多线程并发协作的模型,在分布式系统里非常常见。也是面试中无论中美大厂都非常爱考的一个问题,对应届生问的要少一些,但是对于有工作经验的工程师来说,非常爱考。
这个问题有非常多的版本和解决方式,在本文我重点是和大家壹齐理清思路,由浅入深的思考问题,保证大家看完了都能有所收获。
问题背景
简单来说,这个模型是由两类线程构成:
生产者线程:“生产”产品,并把产品放到一个队列里; 消费者线程:“消费”产品。
![](https://tva1.sinaimg.cn/large/007S8ZIlgy1gippgnh88tj31de0d0786.jpg)
有了这个队列,生产者就只需要关注生产,而不用管消费者的消费行为,更不用等待消费者线程执行完;消费者也只管消费,不用管生产者是怎么生产的,更不用等着生产者生产。
所以该模型实现了生产者和消费者之间的解藕和异步。
什么是异步呢?
比如说你和你女朋友打电话,就得等她接了电话你们才能说话,这是同步。
但是如果你跟她发微信,并不需要等她回复,她也不需要立刻回复,而是等她有空了再回,这就是异步。
但是呢,生产者和消费者之间也不能完全没有联系的。
如果队列里的产品已经满了,生产者就不能继续生产; 如果队列里的产品从无到有,生产者就得通知一下消费者,告诉它可以来消费了; 如果队列里已经没有产品了,消费者也无法继续消费; 如果队列里的产品从满到不满,消费者也得去通知下生产者,说你可以来生产了。
所以它们之间还需要有协作,最经典的就是使用 Object
类里自带的 wait()
和 notify()
或者 notifyAll()
的消息通知机制。
上述描述中的等着,其实就是用 wait()
来实现的;
而通知,就是 notify()
或者 notifyAll()
。
那么基于这种消息通知机制,我们还能够平衡生产者和消费者之间的速度差异。
如果生产者的生产速度很慢,但是消费者消费的很快,就像是我们每月工资就发两次,但是每天都要花钱,也就是 1:15.
那么我们就需要调整生产者(发工资)为 15 个线程,消费者保持 1 个线程,这样是不是很爽~
总结下该模型的三大优点:
解藕,异步,平衡速度差异。
wait()/notify()
接下来我们需要重点看下这个通知机制。
wait()
和 notify()
都是 Java 中的 Object
类自带的方法,可以用来实现线程间的通信。
在上一节讲的 11 个 APIs 里我也提到了它,我们这里再展开讲一下。
wait()
方法是用来让当前线程等待,直到有别的线程调用 notify()
将它唤醒,或者我们可以设定一个时间让它自动苏醒。
调用该方法之前,线程必须要获得该对象的对象监视器锁,也就是只能用在加锁的方法下。
而调用该方法之后,当前线程会释放锁。(提示:这里很重要,也是下文代码中用 while
而非 if
的原因。)
notify()
方法只能通知一个线程,如果多个线程在等待,那就唤醒任意一个。
notifyAll()
方法是可以唤醒所有等待线程,然后加入同步队列。
![](https://tva1.sinaimg.cn/large/007S8ZIlgy1gippgxspy8j310k0sagqn.jpg)
这里我们用到了 2 个队列:
这里需要注意,从等待状态线程无法直接进入 Q2,而是要先重新加入同步队列,再次等待拿锁,拿到了锁才能进去 Q2;一旦出了 Q2,锁就丢了。
在 Q2
里,其实只有一个线程,因为这里我们必须要加锁才能进行操作。
实现
这里我首先建了一个简单的 Product
类,用来表示生产和消费的产品,大家可以自行添加更多的 fields
。
public class Product {
private String name;
public Product(String name) {
this.name = name;
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
}
主函数里我设定了两类线程,并且这里选择用普通的 ArrayDeque
来实现 Queue
,更简单的方式是直接用 Java 中的 BlockingQueue
来实现。
BlockingQueue
是阻塞队列,它有一系列的方法可以让线程实现自动阻塞,常用的 BlockingQueue
有很多,后面会单独出一篇文章来讲。
这里为了更好的理解并发协同的这个过程,我们先自己处理。
public class Test {
public static void main(String[] args) {
Queue<Product> queue = new ArrayDeque<>();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
new Thread(new Producer(queue, 100)).start();
new Thread(new Consumer(queue, 100)).start();
}
}
}
然后就是 Producer
和 Consumer
了。
public class Producer implements Runnable{
private Queue<Product> queue;
private int maxCapacity;
public Producer(Queue queue, int maxCapacity) {
this.queue = queue;
this.maxCapacity = maxCapacity;
}
@Override
public void run() {
synchronized (queue) {
while (queue.size() == maxCapacity) { //一定要用 while,而不是 if,下文解释
try {
System.out.println("生产者" + Thread.currentThread().getName() + "等待中... Queue 已达到最大容量,无法生产");
wait();
System.out.println("生产者" + Thread.currentThread().getName() + "退出等待");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
if (queue.size() == 0) { //队列里的产品从无到有,需要通知在等待的消费者
queue.notifyAll();
}
Random random = new Random();
Integer i = random.nextInt();
queue.offer(new Product("产品" + i.toString()));
System.out.println("生产者" + Thread.currentThread().getName() + "生产了产品:" + i.toString());
}
}
}
其实它的主逻辑很简单,我这里为了方便演示加了很多打印语句才显得有点复杂。
我们把主要逻辑拎出来看:
public void run() {
synchronized (queue) {
while (queue.size() == maxCapacity) { //一定要用 while,而不是 if,下文解释
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
if (queue.size() == 0) {
queue.notifyAll();
}
queue.offer(new Product("产品" + i.toString()));
}
}
}
这里有 3 块内容,再对照这个过程来看:
![](https://tva1.sinaimg.cn/large/007S8ZIlgy1gippe2prvkj310k0sagqn.jpg)
生产者线程拿到锁后,其实就是进入了 Q2
阶段。首先检查队列是否容量已满,如果满了,那就要去Q3
等待;如果不满,先检查一下队列原本是否为空,如果原来是空的,那就需要通知消费者; 最后生产产品。
这里有个问题,为什么只能用 while
而不是 if
?
其实在这一小段,生产者线程经历了几个过程:
如果队列已满,它就没法生产,那也不能占着位置不做事,所以要把锁让出来,去 Q3 - 等待队列
等着;在等待队列里被唤醒之后,不能直接夺过锁来,而是要先加入 Q1 - 同步队列
等待资源;一旦抢到资源,关门上锁,才能来到 Q2
继续执行wait()
之后的活,但是,此时这个队列有可能又满了,所以退出wait()
之后,还需要再次检查queue.size() == maxCapacity
这个条件,所以要用while
。
那么为什么可能又满了呢?
因为线程没有一直拿着锁,在被唤醒之后,到拿到锁之间的这段时间里,有可能其他的生产者线程先拿到了锁进行了生产,所以队列又经历了一个从不满到满的过程。
总结:在使用线程的等待通知机制时,一般都要在 while
循环中调用 wait()
方法。
消费者线程是完全对称的,我们来看代码。
public class Consumer implements Runnable{
private Queue<Product> queue;
private int maxCapacity;
public Consumer(Queue queue, int maxCapacity) {
this.queue = queue;
this.maxCapacity = maxCapacity;
}
@Override
public void run() {
synchronized (queue) {
while (queue.isEmpty()) {
try {
System.out.println("消费者" + Thread.currentThread().getName() + "等待中... Queue 已缺货,无法消费");
wait();
System.out.println("消费者" + Thread.currentThread().getName() + "退出等待");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
if (queue.size() == maxCapacity) {
queue.notifyAll();
}
Product product = queue.poll();
System.out.println("消费者" + Thread.currentThread().getName() + "消费了:" + product.getName());
}
}
}
结果如下:
![](https://tva1.sinaimg.cn/large/007S8ZIlgy1gippfleex2j30pw0gujue.jpg)
小结
生产者 - 消费者问题是面试中经常会遇到的题目,本文首先讲了该模型的三大优点:解藕,异步,平衡速度差异,然后讲解了等待/通知的消息机制以及在该模型中的应用,最后进行了代码实现。
文中所有代码已经放到了我的 Github 上:https://github.com/xiaoqi6666/NYCSDE
。
这个 Github 汇总了我所有的文章和资料,之后也会一直更新和维护,还希望大家帮忙点个 Star
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我是小齐,纽约程序媛,终生学习者,每天晚上 9 点,云自习室里不见不散!