一、生产者消费者问题

1. 问题

1. 假设仓库中只能放一件产品，生产者将生产出来的产品放入仓库，消费者将仓库中的产品取走消费
2. 如果仓库中没有产品，则生产者将产品放入仓库。否则停止生产并等待，直到仓库中的产品被消费者取走为止
3. 如果仓库中放有产品，则消费者可以将产品取走消费，否则停止消费并等待，直到仓库中再次放入产品为止

2. 分析

生产者和消费者共享同一个资源，并且两者之间相互依赖，互为条件

• 对于生产者，没有生产产品之前要通知消费者等待。而生产了产品之后又需要立即通知消费者
• 对于消费者，在消费之后要通知生产者已经结束消费，需要生产新的产品
• 在生产者消费者问题中，仅有synchronized是不够的
  • synchronized可阻止并发更新同一个共享资源，实现了同步
  • synchronized不能用来实现不同线程之间的通信

二、线程通信的方法

Java 中提供了几个方法解决线程之间的通信问题

方法名	作用
wait()	表示线程一致等待，直到其他线程通知。与sleep()不同，会释放锁
wait(long timeout)	指定等待的毫秒数
notify()	唤醒一个处于等待状态的线程
notifyAll()	唤醒同一个对象上所有调用wait()方法的线程，优先级别高的线程优先调度

注：以上均是 Object 类的方法，都只能在同步方法或者同步代码块中使用，否则会抛出IllegalMonitorStateExeception异常

三、解决方式

1. 管程法

• 生产者：负责生产数据的模块（可能是方法、对象、线程、进程）
• 消费者：负责处理数据的模块（可能是方法、对象、线程、进程）
• 缓冲区：消费者不能直接使用生产者的数据，他们之间有个“缓冲区”

生产者将生产好的数据放入缓冲区，消费者从缓冲区拿出数据

例：
public class TestPC {
    public static void main(String[] args) {
        SyncContainer container = new SyncContainer();
        new Producer(container).start();
        new Consumer(container).start();
    }
}

class Producer extends Thread {
    SyncContainer container;

    public Producer(SyncContainer container) {
        this.container = container;
    }

    @Override
    public void run() {
        // 生产
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            container.push(new Chicken(i));
            System.out.println("生产了" + i + "只鸡");
        }
    }
}

class Consumer extends Thread {
    SyncContainer container;

    public Consumer(SyncContainer container) {
        this.container = container;
    }
    @Override
    public void run() {
        // 消费
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println("消费了第" + container.pop().id + "只鸡");
        }
    }
}

class Chicken {
    int id;
    public Chicken(int id) {
        this.id = id;
    }
}

class SyncContainer {
    // 需要一个容器大小
    Chicken[] chickens = new Chicken[10];
    // 容器计数器
    int count = 0;

    // 生产者放入产品
    public synchronized void push(Chicken c) {
        // 如果容器满了，等待消费者消费
        if (count == chickens.length) {
            // 通知消费者，生产者等待
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        // 如果未满，需要丢入产品
        chickens[count] = c;
        count++;
        // 通知消费者可以消费了
        this.notifyAll();
    }
    // 消费者消费产品
    public synchronized Chicken pop() {
        // 判断能否消费
        if (count == 0) {
            // 等待生产
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        // 如果可以消费
        count--;
        Chicken chicken = chickens[count];
        // 通知生产者生产
        this.notifyAll();
        return chicken;
    }
}

2. 信号灯法

借助标志位判断，若为真消费者等待，若为假生产者等待

例：
public class TestPC2 {
    public static void main(String[] args) {
        TV tv = new TV();
        new Player(tv).start();
        new Watcher(tv).start();
    }
}

// 生产者——演员
class Player extends Thread {
    TV tv;

    public Player(TV tv) {
        this.tv = tv;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            if (i % 2 == 0) {
                this.tv.play("快乐大本营");
            } else {
                this.tv.play("广告");
            }
        }
    }
}

// 消费者——观众
class Watcher extends Thread {
    TV tv;

    public Watcher(TV tv) {
        this.tv = tv;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            tv.watch();
        }
    }
}

// 产品——节目
class TV {
    // 演员录制时，观众等待 T
    // 观众观看时，演员等待 F
    // 录制的节目
    String show;
    // 标志位
    boolean flag = true;

    // 演员录制
    public synchronized void play(String show) {
        if (!flag) {
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println("演员录制了" + show);
        // 通知观众观看
        this.notifyAll();
        this.show = show;
        this.flag = !this.flag;
    }

    // 观众观看
    public synchronized void watch() {
        if (flag) {
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println("观众观看了" + show);
        // 通知演员录制
        this.notifyAll();
        this.flag = !this.flag;
    }
}

四、小结

• 基于“锁”的同步方式需要线程不断地尝试去获得锁，失败了也需要继续尝试，这会很浪费资源，而等待/通知机制则能解决这一问题
• 等待/通知机制使用的是同一个对象锁，如果两个线程使用的是不同对象锁，则不能用该机制通信

五、扩展

信号量

• 关键字volatile，能够保证内存的可见性
• 使用volatile修饰的变量，如果在一个线程里值发生了改变，那么在其它线程中都是立即可见的
• 使用volatile修饰的变量需要进行原子操作