Java多线程系列--“基础篇”11之 生产消费者问题

概要

本章，会对“生产/消费者问题”进行讨论。涉及到的内容包括：
1. 生产/消费者模型
2. 生产/消费者实现

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1. 生产/消费者模型

生产/消费者问题是个非常典型的多线程问题，涉及到的对象包括“生产者”、“消费者”、“仓库”和“产品”。他们之间的关系如下：
(01) 生产者仅仅在仓储未满时候生产，仓满则停止生产。
(02) 消费者仅仅在仓储有产品时候才能消费，仓空则等待。
(03) 当消费者发现仓储没产品可消费时候会通知生产者生产。
(04) 生产者在生产出可消费产品时候，应该通知等待的消费者去消费。

2. 生产/消费者实现

下面通过wait()/notify()方式实现该模型(后面在学习了线程池相关内容之后，再通过其它方式实现生产/消费者模型)。源码如下：

// Demo1.java
// 仓库
class Depot {
    private int capacity;    // 仓库的容量
    private int size;        // 仓库的实际数量

    public Depot(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
        this.size = 0;
    }

    public synchronized void produce(int val) {
        try {
             // left 表示“想要生产的数量”(有可能生产量太多，需多此生产)
            int left = val;
            while (left > 0) {
                // 库存已满时，等待“消费者”消费产品。
                while (size >= capacity)
                    wait();
                // 获取“实际生产的数量”(即库存中新增的数量)
                // 如果“库存”+“想要生产的数量”>“总的容量”，则“实际增量”=“总的容量”-“当前容量”。(此时填满仓库)
                // 否则“实际增量”=“想要生产的数量”
                int inc = (size+left)>capacity ? (capacity-size) : left;
                size += inc;
                left -= inc;
                System.out.printf("%s produce(%3d) --> left=%3d, inc=%3d, size=%3d
", 
                        Thread.currentThread().getName(), val, left, inc, size);
                // 通知“消费者”可以消费了。
                notifyAll();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
        }
    } 

    public synchronized void consume(int val) {
        try {
            // left 表示“客户要消费数量”(有可能消费量太大，库存不够，需多此消费)
            int left = val;
            while (left > 0) {
                // 库存为0时，等待“生产者”生产产品。
                while (size <= 0)
                    wait();
                // 获取“实际消费的数量”(即库存中实际减少的数量)
                // 如果“库存”<“客户要消费的数量”，则“实际消费量”=“库存”；
                // 否则，“实际消费量”=“客户要消费的数量”。
                int dec = (size<left) ? size : left;
                size -= dec;
                left -= dec;
                System.out.printf("%s consume(%3d) <-- left=%3d, dec=%3d, size=%3d
", 
                        Thread.currentThread().getName(), val, left, dec, size);
                notifyAll();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
        }
    }

    public String toString() {
        return "capacity:"+capacity+", actual size:"+size;
    }
} 

// 生产者
class Producer {
    private Depot depot;
    
    public Producer(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }

    // 消费产品：新建一个线程向仓库中生产产品。
    public void produce(final int val) {
        new Thread() {
            public void run() {
                depot.produce(val);
            }
        }.start();
    }
}

// 消费者
class Customer {
    private Depot depot;
    
    public Customer(Depot depot) {
        this.depot = depot;
    }

    // 消费产品：新建一个线程从仓库中消费产品。
    public void consume(final int val) {
        new Thread() {
            public void run() {
                depot.consume(val);
            }
        }.start();
    }
}

public class Demo1 {  
    public static void main(String[] args) {  
        Depot mDepot = new Depot(100);
        Producer mPro = new Producer(mDepot);
        Customer mCus = new Customer(mDepot);

        mPro.produce(60);
        mPro.produce(120);
        mCus.consume(90);
        mCus.consume(150);
        mPro.produce(110);
    }
}

说明：
(01) Producer是“生产者”类，它与“仓库(depot)”关联。当调用“生产者”的produce()方法时，它会新建一个线程并向“仓库”中生产产品。
(02) Customer是“消费者”类，它与“仓库(depot)”关联。当调用“消费者”的consume()方法时，它会新建一个线程并消费“仓库”中的产品。
(03) Depot是“仓库”类，仓库中记录“仓库的容量(capacity)”以及“仓库中当前产品数目(size)”。
        “仓库”类的生产方法produce()和消费方法consume()方法都是synchronized方法，进入synchronized方法体，意味着这个线程获取到了该“仓库”对象的同步锁。这也就是说，同一时间，生产者和消费者线程只能有一个能运行。通过同步锁，实现了对“残酷”的互斥访问。
       对于生产方法produce()而言：当仓库满时，生产者线程等待，需要等待消费者消费产品之后，生产线程才能生产；生产者线程生产完产品之后，会通过notifyAll()唤醒同步锁上的所有线程，包括“消费者线程”，即我们所说的“通知消费者进行消费”。
      对于消费方法consume()而言：当仓库为空时，消费者线程等待，需要等待生产者生产产品之后，消费者线程才能消费；消费者线程消费完产品之后，会通过notifyAll()唤醒同步锁上的所有线程，包括“生产者线程”，即我们所说的“通知生产者进行生产”。

(某一次)运行结果：

Thread-0 produce( 60) --> left=  0, inc= 60, size= 60
Thread-4 produce(110) --> left= 70, inc= 40, size=100
Thread-2 consume( 90) <-- left=  0, dec= 90, size= 10
Thread-3 consume(150) <-- left=140, dec= 10, size=  0
Thread-1 produce(120) --> left= 20, inc=100, size=100
Thread-3 consume(150) <-- left= 40, dec=100, size=  0
Thread-4 produce(110) --> left=  0, inc= 70, size= 70
Thread-3 consume(150) <-- left=  0, dec= 40, size= 30
Thread-1 produce(120) --> left=  0, inc= 20, size= 50

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更多内容

00. Java多线程系列目录(共xx篇)

01. Java多线程系列--“基础篇”01之 基本概念

02. Java多线程系列--“基础篇”02之 常用的实现多线程的两种方式

03. Java多线程系列--“基础篇”03之 Thread中start()和run()的区别

04. Java多线程系列--“基础篇”04之 synchronized关键字

05. Java多线程系列--“基础篇”05之 线程等待与唤醒

06. Java多线程系列--“基础篇”06之 线程让步

07. Java多线程系列--“基础篇”07之 线程休眠 

08. Java多线程系列--“基础篇”08之 join()

09. Java多线程系列--“基础篇”09之 interrupt()和线程终止方式

10. Java多线程系列--“基础篇”10之 线程优先级和守护线程