一、生产者消费者问题
1. 问题
- 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
- 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
- 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