生产者/消费者问题的多种Java实现方式

本文转自：http://blog.csdn.net/monkey_d_meng/article/details/6251879

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：

创建仓库：

package cn.stone.ConsumerAndProducer;import java.util.LinkedList;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;}}

创建生产者:

package cn.stone.ConsumerAndProducer;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;    }}

创建消费者：

package cn.stone.ConsumerAndProducer;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;}}

创建测试类：

package cn.stone.ConsumerAndProducer;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();      }  }  

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!【已经生产产品数】:10【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【已经生产产品数】:10【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!【要生产的产品数量】:10【库存量】:100暂时不能执行生产任务!【要生产的产品数量】:10【库存量】:100暂时不能执行生产任务!【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】:20【现仓储量为】:50【已经生产产品数】:10【现仓储量为】:60【已经生产产品数】:10【现仓储量为】:70【已经生产产品数】:10【现仓储量为】:80【已经生产产品数】:10【现仓储量为】:90【已经消费产品数】:50【现仓储量为】:40

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：

package cn.stone.ConsumerAndProducer.AwaitAndSignal;import java.util.LinkedList;import java.util.concurrent.locks.Condition;import java.util.concurrent.locks.Lock;import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;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;}}

测试结果同上面

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：

package cn.stone.ConsumerAndProducer.BlockingQueue;import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;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;}}

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。