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java 生产者消费者问题

发表于2015-09-08 16:28:06| --次阅读| 来源webkfa| 作者热点

摘要:  生产者和消费者问题是线程模型中的经典问题:生产者和消费者在同一时间段内共用同一个存储空间,如下图所示,生产者向空间里存放数据,而消费者取用数据,如果不加以协调可能会出现以下情况:

引言

生产者和消费者问题是线程模型中的经典问题:生产者和消费者在同一时间内共用同一个存储空间,如下图所示,生产者向空间里存放数据,而消费者取用数据,如果不加以协调可能会出现以下情况:

生产者消费者图

存储空间已满,而生产者占用着它,消费者等着生产者让出空间从而去除产品,生产者等着消费者消费产品,从而向空间中添加产品。互相等待,从而发生死锁

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两种种,第三、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。

代码实现:

1、仓库类

import java.util.LinkedList;   
 
/**  
 * 仓库类Storage实现缓冲区  
 *   
 * @author zcr  
 */   
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 
     * @param num 生产产品的数量 
     */ 
    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 
     * @param num 消费产品数量 
     */ 
    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;   
    }   
} 

2、生产者

/**  
 * 生产者类Producer继承线程类Thread  
 *   
 *   
 * @author zcr 
 *   
 */   
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;   
    }   
} 

3、消费者

/**  
 * 消费者类Consumer继承线程类Thread  
 *   
 *   
 * @author zcr 
 *   
 */   
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;   
    }   
} 

4、测试类

/**  
 * 测试类Test  
 * @author zcr 
 *   
 */   
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();   
    }   
} 

5、结果:

【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】: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】: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 
【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 
【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! 
【已经生产产品数】:10     【现仓储量为】:40 
【已经消费产品数】:30      【现仓储量为】:10 
【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】:80     【现仓储量为】:90 
【已经消费产品数】:50      【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:

只需更新仓库类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。

仓库类

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 
 *  
 *  
 * @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; 
    } 
} 

结果:

【要消费的产品数量】:50/t【库存量】:0/t暂时不能执行生产任务! 
【已经生产产品数】:10/t【现仓储量为】:10 
【已经生产产品数】:10/t【现仓储量为】:20 
【要消费的产品数量】:30/t【库存量】:20/t暂时不能执行生产任务! 
【已经消费产品数】:20/t【现仓储量为】:0 
【已经生产产品数】:10/t【现仓储量为】:10 
【已经生产产品数】:10/t【现仓储量为】:20 
【要消费的产品数量】:50/t【库存量】:20/t暂时不能执行生产任务! 
【已经生产产品数】:10/t【现仓储量为】:30 
【已经生产产品数】:10/t【现仓储量为】:40 
【要生产的产品数量】:80/t【库存量】:40/t暂时不能执行生产任务! 
【已经消费产品数】:30/t【现仓储量为】:10 
【要消费的产品数量】:50/t【库存量】:10/t暂时不能执行生产任务! 
【已经生产产品数】:80/t【现仓储量为】:90 
【已经消费产品数】:50/t【现仓储量为】:40

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。

总结

两种方式原理一致,都是对独占空间加锁,阻塞和唤醒线程,第一种方式比较传统,第二种方式速度比较快。

致谢:感谢您的耐心阅读!

 

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