生产者/消费者问题的多种Java实现方式（转）

2023-07-27 19:43:28

实质上，很多后台服务程序并发控制的基本原理都可以归纳为生产者/消费者模式，而这是恰恰是在本科操作系统课堂上老师反复讲解，而我们却视而不见不以为然的。在博文《一种面向作业流(工作流)的轻量级可复用的异步流水开发框架的设计与实现》中将介绍一种生产者/消费者模式的具体应用。

生产者消费者问题是研究多线程程序时绕不开的经典问题之一，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：（1）采用某种机制保护生产者和消费者之间的同步；（2）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。因此本文只介绍同步机制实现的生产者/消费者问题。

同步问题核心在于：如何保证同一资源被多个线程并发访问时的完整性。常用的同步方法是采用信号或加锁机制，保证资源在任意时刻至多被一个线程访问。Java语言在多线程编程上实现了完全对象化，提供了对同步机制的良好支持。在Java中一共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。

（1）wait() / notify()方法

（2）await() / signal()方法

（3）BlockingQueue阻塞队列方法

（4）PipedInputStream / PipedOutputStream

本文只介绍最常用的前三种，第四种暂不做讨论，有兴趣的读者可以自己去网上找答案。

一、wait() / notify()方法

wait() / nofity()方法是基类Object的两个方法，也就意味着所有Java类都会拥有这两个方法，这样，我们就可以为任何对象实现同步机制。

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。

光看文字可能不太好理解，咱来段代码就明白了：

import java.util.LinkedList;

/**

仓库类Storage实现缓冲区
Email:530025983@qq.com
@author MONKEY.D.MENG 2011-03-15

*/
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num个产品
public void produce(int num)
{
    // 同步代码段
    synchronized (list)
    {
        // 如果仓库剩余容量不足
        while (list.size() + num > MAX_SIZE)
        {
            System.out.println("【要生产的产品数量】:" + num + "/t【库存量】:"
                    + list.size() + "/t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();
            }
        }

        // 生产条件满足情况下，生产num个产品
        for (int i = 1; i <= num; ++i)
        {
            list.add(new Object());
        }

        System.out.println("【已经生产产品数】:" + num + "/t【现仓储量为】:" + list.size());

        list.notifyAll();
    }
}

// 消费num个产品
public void consume(int num)
{
    // 同步代码段
    synchronized (list)
    {
        // 如果仓库存储量不足
        while (list.size() < num)
        {
            System.out.println("【要消费的产品数量】:" + num + "/t【库存量】:"
                    + list.size() + "/t暂时不能执行生产任务!");
            try
            {
                // 由于条件不满足，消费阻塞
                list.wait();
            }
            catch (InterruptedException e)
            {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        // 消费条件满足情况下，消费num个产品
        for (int i = 1; i <= num; ++i)
        {
            list.remove();
        }

        System.out.println("【已经消费产品数】:" + num + "/t【现仓储量为】:" + list.size());

        list.notifyAll();
    }
}

// get/set方法
public LinkedList<Object> getList()
{
    return list;
}

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

public int getMAX_SIZE()
{
    return MAX_SIZE;
}

}
/**

生产者类Producer继承线程类Thread
Email:530025983@qq.com
@author MONKEY.D.MENG 2011-03-15

*/
public class Producer extends Thread
{
// 每次生产的产品数量
private int num;

// 所在放置的仓库
private Storage storage;

// 构造函数，设置仓库
public Producer(Storage storage)
{
    this.storage = storage;
}

// 线程run函数
public void run()
{
    produce(num);
}

// 调用仓库Storage的生产函数
public void produce(int num)
{
    storage.produce(num);
}

// get/set方法
public int getNum()
{
    return num;
}

public void setNum(int num)
{
    this.num = num;
}

public Storage getStorage()
{
    return storage;
}

public void setStorage(Storage storage)
{
    this.storage = storage;
}

}
/**

消费者类Consumer继承线程类Thread
Email:530025983@qq.com
@author MONKEY.D.MENG 2011-03-15

*/
public class Consumer extends Thread
{
// 每次消费的产品数量
private int num;

// 所在放置的仓库
private Storage storage;

// 构造函数，设置仓库
public Consumer(Storage storage)
{
    this.storage = storage;
}

// 线程run函数
public void run()
{
    consume(num);
}

// 调用仓库Storage的生产函数
public void consume(int num)
{
    storage.consume(num);
}

// get/set方法
public int getNum()
{
    return num;
}

public void setNum(int num)
{
    this.num = num;
}

public Storage getStorage()
{
    return storage;
}

public void setStorage(Storage storage)
{
    this.storage = storage;
}

}
/**

测试类Test
Email:530025983@qq.com
@author MONKEY.D.MENG 2011-03-15

*/
public class Test
{
public static void main(String[] args)
{
// 仓库对象
Storage storage = new Storage();

    // 生产者对象
    Producer p1 = new Producer(storage);
    Producer p2 = new Producer(storage);
    Producer p3 = new Producer(storage);
    Producer p4 = new Producer(storage);
    Producer p5 = new Producer(storage);
    Producer p6 = new Producer(storage);
    Producer p7 = new Producer(storage);

    // 消费者对象
    Consumer c1 = new Consumer(storage);
    Consumer c2 = new Consumer(storage);
    Consumer c3 = new Consumer(storage);

    // 设置生产者产品生产数量
    p1.setNum(10);
    p2.setNum(10);
    p3.setNum(10);
    p4.setNum(10);
    p5.setNum(10);
    p6.setNum(10);
    p7.setNum(80);

    // 设置消费者产品消费数量
    c1.setNum(50);
    c2.setNum(20);
    c3.setNum(30);

    // 线程开始执行
    c1.start();
    c2.start();
    c3.start();
    p1.start();
    p2.start();
    p3.start();
    p4.start();
    p5.start();
    p6.start();
    p7.start();
}

}
【要消费的产品数量】:50 【库存量】:0 暂时不能执行生产任务!
【要消费的产品数量】:30 【库存量】:0 暂时不能执行生产任务!
【要消费的产品数量】:20 【库存量】:0 暂时不能执行生产任务!
【已经生产产品数】:10 【现仓储量为】:10
【要消费的产品数量】:20 【库存量】:10 暂时不能执行生产任务!
【要消费的产品数量】:30 【库存量】:10 暂时不能执行生产任务!
【要消费的产品数量】:50 【库存量】:10 暂时不能执行生产任务!
【已经生产产品数】:10 【现仓储量为】:20
【要消费的产品数量】:50 【库存量】:20 暂时不能执行生产任务!
【要消费的产品数量】:30 【库存量】:20 暂时不能执行生产任务!
【已经消费产品数】:20 【现仓储量为】:0
【已经生产产品数】:10 【现仓储量为】:10
【已经生产产品数】:10 【现仓储量为】:20
【已经生产产品数】:80 【现仓储量为】:100
【要生产的产品数量】:10 【库存量】:100 暂时不能执行生产任务!
【已经消费产品数】:30 【现仓储量为】:70
【已经消费产品数】:50 【现仓储量为】:20
【已经生产产品数】:10 【现仓储量为】:30
【已经生产产品数】:10 【现仓储量为】:40

看完上述代码，对wait() / notify()方法实现的同步有了了解。你可能会对Storage类中为什么要定义public void produce(int num);和public void consume(int num);方法感到不解，为什么不直接在生产者类Producer和消费者类Consumer中实现这两个方法，却要调用Storage类中的实现呢？淡定，后文会有解释。我们先往下走。

二、await() / signal()方法

在JDK5.0之后，Java提供了更加健壮的线程处理机制，包括同步、锁定、线程池等，它们可以实现更细粒度的线程控制。await()和signal()就是其中用来做同步的两种方法，它们的功能基本上和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。下面来看代码：

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

/**

仓库类Storage实现缓冲区
Email:530025983@qq.com
@author MONKEY.D.MENG 2011-03-15

*/
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num个产品
public void produce(int num)
{
    // 获得锁
    lock.lock();

    // 如果仓库剩余容量不足
    while (list.size() + num > MAX_SIZE)
    {
        System.out.println("【要生产的产品数量】:" + num + "/t【库存量】:" + list.size()
                + "/t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();
        }
    }

    // 生产条件满足情况下，生产num个产品
    for (int i = 1; i <= num; ++i)
    {
        list.add(new Object());
    }

    System.out.println("【已经生产产品数】:" + num + "/t【现仓储量为】:" + list.size());

    // 唤醒其他所有线程
    full.signalAll();
    empty.signalAll();

    // 释放锁
    lock.unlock();
}

// 消费num个产品
public void consume(int num)
{
    // 获得锁
    lock.lock();

    // 如果仓库存储量不足
    while (list.size() < num)
    {
        System.out.println("【要消费的产品数量】:" + num + "/t【库存量】:" + list.size()
                + "/t暂时不能执行生产任务!");
        try
        {
            // 由于条件不满足，消费阻塞
            empty.await();
        }
        catch (InterruptedException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    // 消费条件满足情况下，消费num个产品
    for (int i = 1; i <= num; ++i)
    {
        list.remove();
    }

    System.out.println("【已经消费产品数】:" + num + "/t【现仓储量为】:" + list.size());

    // 唤醒其他所有线程
    full.signalAll();
    empty.signalAll();

    // 释放锁
    lock.unlock();
}

// set/get方法
public int getMAX_SIZE()
{
    return MAX_SIZE;
}

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

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

}
【要消费的产品数量】:50 【库存量】:0 暂时不能执行生产任务!
【要消费的产品数量】:30 【库存量】:0 暂时不能执行生产任务!
【已经生产产品数】:10 【现仓储量为】:10
【已经生产产品数】:10 【现仓储量为】:20
【要消费的产品数量】:50 【库存量】:20 暂时不能执行生产任务!
【要消费的产品数量】:30 【库存量】:20 暂时不能执行生产任务!
【已经生产产品数】:10 【现仓储量为】:30
【要消费的产品数量】:50 【库存量】:30 暂时不能执行生产任务!
【已经消费产品数】:20 【现仓储量为】:10
【已经生产产品数】:10 【现仓储量为】:20
【要消费的产品数量】:30 【库存量】:20 暂时不能执行生产任务!
【已经生产产品数】:80 【现仓储量为】:100
【要生产的产品数量】:10 【库存量】:100 暂时不能执行生产任务!
【已经消费产品数】:50 【现仓储量为】:50
【已经生产产品数】:10 【现仓储量为】:60
【已经消费产品数】:30 【现仓储量为】:30
【已经生产产品数】:10 【现仓储量为】:40

只需要更新仓库类Storage的代码即可，生产者Producer、消费者Consumer、测试类Test的代码均不需要进行任何更改。这样我们就知道为神马我要在Storage类中定义public void produce(int num);和public void consume(int num);方法，并在生产者类Producer和消费者类Consumer中调用Storage类中的实现了吧。将可能发生的变化集中到一个类中，不影响原有的构架设计，同时无需修改其他业务层代码。无意之中，我们好像使用了某种设计模式，具体是啥我忘记了，啊哈哈，等我想起来再告诉大家~

三、BlockingQueue阻塞队列方法

BlockingQueue是JDK5.0的新增内容，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。

关于BlockingQueue的内容网上有很多，大家可以自己搜，我在这不多介绍。下面直接看代码，跟以往一样，我们只需要更改仓库类Storage的代码即可：

import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

/**

仓库类Storage实现缓冲区
Email:530025983@qq.com
@author MONKEY.D.MENG 2011-03-15

*/
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num个产品
public void produce(int num)
{
    // 如果仓库剩余容量为0
    if (list.size() == MAX_SIZE)
    {
        System.out.println("【库存量】:" + MAX_SIZE + "/t暂时不能执行生产任务!");
    }

    // 生产条件满足情况下，生产num个产品
    for (int i = 1; i <= num; ++i)
    {
        try
        {
            // 放入产品，自动阻塞
            list.put(new Object());
        }
        catch (InterruptedException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("【现仓储量为】:" + list.size());
    }
}

// 消费num个产品
public void consume(int num)
{
    // 如果仓库存储量不足
    if (list.size() == 0)
    {
        System.out.println("【库存量】:0/t暂时不能执行生产任务!");
    }

    // 消费条件满足情况下，消费num个产品
    for (int i = 1; i <= num; ++i)
    {
        try
        {
            // 消费产品，自动阻塞
            list.take();
        }
        catch (InterruptedException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    System.out.println("【现仓储量为】:" + list.size());
}

// set/get方法
public LinkedBlockingQueue<Object> getList()
{
    return list;
}

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

public int getMAX_SIZE()
{
    return MAX_SIZE;
}

}
【库存量】:0 暂时不能执行生产任务!
【库存量】:0 暂时不能执行生产任务!
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:4
【现仓储量为】:5
【现仓储量为】:6
【现仓储量为】:7
【现仓储量为】:8
【现仓储量为】:9
【现仓储量为】:10
【现仓储量为】:11
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:2
【现仓储量为】:13
【现仓储量为】:14
【现仓储量为】:17
【现仓储量为】:19
【现仓储量为】:20
【现仓储量为】:21
【现仓储量为】:22
【现仓储量为】:23
【现仓储量为】:24
【现仓储量为】:25
【现仓储量为】:26
【现仓储量为】:12
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:2
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:4
【现仓储量为】:5
【现仓储量为】:6
【现仓储量为】:7
【现仓储量为】:27
【现仓储量为】:8
【现仓储量为】:6
【现仓储量为】:18
【现仓储量为】:2
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:4
【现仓储量为】:5
【现仓储量为】:6
【现仓储量为】:7
【现仓储量为】:8
【现仓储量为】:9
【现仓储量为】:10
【现仓储量为】:16
【现仓储量为】:11
【现仓储量为】:12
【现仓储量为】:13
【现仓储量为】:14
【现仓储量为】:15
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:2
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:15
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:0
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:2
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:4
【现仓储量为】:0
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:5
【现仓储量为】:6
【现仓储量为】:7
【现仓储量为】:8
【现仓储量为】:9
【现仓储量为】:10
【现仓储量为】:11
【现仓储量为】:12
【现仓储量为】:13
【现仓储量为】:14
【现仓储量为】:15
【现仓储量为】:16
【现仓储量为】:17
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:2
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:4
【现仓储量为】:5
【现仓储量为】:6
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:2
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:4
【现仓储量为】:5
【现仓储量为】:6
【现仓储量为】:7
【现仓储量为】:8
【现仓储量为】:9
【现仓储量为】:10
【现仓储量为】:11
【现仓储量为】:12
【现仓储量为】:13
【现仓储量为】:14
【现仓储量为】:15
【现仓储量为】:16
【现仓储量为】:17
【现仓储量为】:18
【现仓储量为】:19
【现仓储量为】:6
【现仓储量为】:7
【现仓储量为】:8
【现仓储量为】:9
【现仓储量为】:10
【现仓储量为】:11
【现仓储量为】:12
【现仓储量为】:13
【现仓储量为】:14
【现仓储量为】:15
【现仓储量为】:16
【现仓储量为】:17
【现仓储量为】:18
【现仓储量为】:19
【现仓储量为】:20
【现仓储量为】:21
【现仓储量为】:22
【现仓储量为】:23
【现仓储量为】:24
【现仓储量为】:25
【现仓储量为】:26
【现仓储量为】:27
【现仓储量为】:28
【现仓储量为】:29
【现仓储量为】:30
【现仓储量为】:31
【现仓储量为】:32
【现仓储量为】:33
【现仓储量为】:34
【现仓储量为】:35
【现仓储量为】:36
【现仓储量为】:37
【现仓储量为】:38
【现仓储量为】:39
【现仓储量为】:40

当然，你会发现这时对于public void produce(int num);和public void consume(int num);方法业务逻辑上的实现跟前面两个例子不太一样，没关系，这个例子只是为了说明BlockingQueue阻塞队列的使用。

有时使用BlockingQueue可能会出现put()和System.out.println()输出不匹配的情况，这是由于它们之间没有同步造成的。当缓冲区已满，生产者在put()操作时，put()内部调用了await()方法，放弃了线程的执行，然后消费者线程执行，调用take()方法，take()内部调用了signal()方法，通知生产者线程可以执行，致使在消费者的println()还没运行的情况下生产者的println()先被执行，所以有了输出不匹配的情况。

码农公寓

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