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生产者/消费者问题的多种Java实现方式

HenrySun
 HenrySun
发布于 2016/05/04 19:24
字数 4340
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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。

1wait() / notify()方法

2await() / signal()方法

3BlockingQueue阻塞队列方法

4PipedInputStream / 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);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

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()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);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

BlockingQueueJDK5.0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2await() / 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()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);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()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。

对于BlockingQueue大家可以放心使用,这可不是它的问题,只是在它和别的对象之间的同步有问题。


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