生产者/消费者问题的多种Java实现方式

生产者/消费者问题的多种Java实现方式

 

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:[e-mail] * * @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:[e-mail] * * @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:[e-mail] * * @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:[e-mail] * * @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:[e-mail] * * @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:[e-mail] * * @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0if (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。

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。

对于Java实现生产者/消费者问题的方法先总结到这里面吧，过几天实现一下C++版本的，接下来要马上着手于基于生产者/消费者模式的《异步工作流服务框架的设计与实现》，请持续关注本博客。