Java多线程复习与巩固(五)-生产者消费者问题（第一部分）

生产者消费者问题（第一部分）

生产者消费者问题也称为有限缓冲问题，是线程同步的一个经典问题：生产者线程和消费者线程共享一块固定大小的缓存，生产者负责生成产品然后存入共享缓冲区中，消费者负责从共享缓冲区中取出产品进行消费。该问题的关键在于生产者不会在缓冲区满时加入数据，消费者也不会在缓冲区空时消耗数据。

要解决这个问题就必须：让生产者在缓冲区满时休眠，等到下次消费者消耗缓冲区中的数据的时候，生产者才能被唤醒，开始往缓冲区添加数据。同样地，让消费者在缓冲区空时进入休眠，等到生产者往缓冲区添加数据之后，再唤醒消费者。

解决生产者消费者问题的方法有很多，这里先介绍最简单的一种，后续的文章中会陆续给出其他的解决方案

Object的wait和notify方法

Object.wait()和Thread.sleep()方法在功能上很相似，它们都会导致线程挂起，但是Thread.sleep()可以指定线程被挂起的时间，当然Object.wait()也有一个重载的方法也可以指定被挂起的时间，可Thread.sleep()挂起时不会释放线程占有的资源(不会释放锁)，而Object.wait()会暂时释放线程所占有的资源(会释放锁)。因此Object.wait()调用后其他线程就可以进入synchronized同步代码块执行了。

而Object.notify()就是用来唤醒因调用Object.wait()而挂起的一个线程，另外还有一个Object.notifyAll()方法用来唤醒所有因调用Object.wait()而挂起的线程。

使用Object.wait()方法和notifyAll()方法来实现线程的休眠和唤醒。

import java.util.Random;public class ProducerConsumer {    private static final int BUFFER_SIZE = 100;    static int[] buffer = new int[BUFFER_SIZE];    static int head, tail = 0;    static int count = 0;    static class Producer implements Runnable {        Random random = new Random();        public void run() {            while (true) {                synchronized (buffer) {                    while (count >= buffer.length) {                        // 外层需要套一个while循环，                        // 以为buffer.wait()可能会被错误的唤醒                        // 如果缓冲区已满则等待                        try {                            buffer.wait();                        } catch (InterruptedException e) {                            e.printStackTrace();                        }                    }                    // 生成一个随机数作为生产的产品                    int product = random.nextInt(10);                    System.out.println("Producer: 我生产了一个随机数" + product);                    // 将产品放入共享缓冲区中                    buffer[tail] = product;                    // 尾部指针加一                    tail = (tail + 1) % buffer.length;                    count++;                    // 提醒消费者消费                    buffer.notifyAll();                }            }        }    }    static class Consumer implements Runnable {        public void run() {            while (true) {                synchronized (buffer) {                    while (count <= 0) {                        try {                            buffer.wait();                        } catch (InterruptedException e) {                            e.printStackTrace();                        }                    }                    // 取出共享缓冲区中的产品                    int product = buffer[head];                    head = (head + 1) % buffer.length;                    count--;                    System.out.println("Consumer: 我消费了一个随机数" + product);                    buffer.notifyAll();                }            }        }    }    public static void main(String[] args) {        new Thread(new Producer()).start();        new Thread(new Consumer()).start();    }}

将共享缓冲区封装成管程(Monitors)

将共享缓冲区封装成管程(也叫监视器，Monitors)。管程是这么定义的：一个管程定义了一个数据结构和能为并发进程所执行（在该数据结构上）的一组操作，这组操作能同步进程和改变管程中的数据。

import java.util.Random;public class ProducerConsumer {    // 你也可以将这个类设计成泛型，让它有通用性    static class Buffer {        private int[] buffer;        private int head = 0, tail = 0;        private int count = 0;        public Buffer(int size) {            buffer = new int[size];        }        public synchronized void put(int data) {            while (count >= buffer.length) {                try {                    wait();                } catch (InterruptedException e) {                    e.printStackTrace();                }            }            buffer[tail] = data;            tail = (tail + 1) % buffer.length;            count++;            notifyAll();        }        public synchronized int take() {            while (count <= 0) {                try {                    wait();                } catch (InterruptedException e) {                    e.printStackTrace();                }            }            int data = buffer[head];            head = (head + 1) % buffer.length;            count--;            notifyAll();            return data;        }    }    static Buffer buffer = new Buffer(10);    static class Producer implements Runnable {        Random random = new Random();        public void run() {            while (true) {                // 生成一个随机数作为生产的产品                int product = random.nextInt(100);                buffer.put(product);                System.out.println("Producer: 我生产了一个随机数" + product);            }        }    }    static class Consumer implements Runnable {        public void run() {            while (true) {                int product = buffer.take();                System.out.println("Consumer: 我消费了一个随机数" + product);            }        }    }    public static void main(String[] args) {        new Thread(new Producer()).start();        new Thread(new Consumer()).start();    }}

在java.util.concurrent包中有很多类似的数据结构可以作为管程使用，不同的是它们使用并发库中的CAS锁实现线程的互斥访问。通常它们都是BlockingQueue接口的实现类，BlockingQueue.put()和BlockingQueue.take()方法和上面的我写的例子中的Buffer.put()和Buffer.take()方法基本类似，不同之处是BlockingQueue.put()和BlockingQueue.take()把InterruptedException抛出来交给外部处理。

关于java.util.concurrent包中的集合类可以参考我的这篇文章Java 集合框架总结与巩固