生产者/消费者问题的多种Java实现方式

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。

首先封装生产者消费者类：重用

生产者

/** * 生产者类Producer继承线程类Thread *  */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;}////////////////////////// 重写的run函数// 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

/** * 消费者类Consumer继承线程类Thread *  */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;}////////////////////////// 重写的run函数// 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;}}

通用测试类

/** * 测试类Test */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();}}

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。

主仓库函数

import java.util.LinkedList;/** * 仓库类Storage实现缓冲区 */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 + " 【库存量】:" + list.size() + " 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 + " 【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 + " 【库存量】:" + list.size() + "  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 + " 【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;}}

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】:80 【现仓储量为】:80【已经生产产品数】:10 【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。

仓库函数

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 */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 + " 【库存量】:" + list.size() + " 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 +" 【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 + " 【库存量】:" + list.size() + " 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 + " 【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

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

三、BlockingQueue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：

仓库函数

import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;/** * 仓库类Storage实现缓冲区 *  */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 + " 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 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;}}

部分结果

【库存量】:0 暂时不能执行生产任务!【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】:2【现仓储量为】:5【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】:2【库存量】:0 暂时不能执行生产任务!【现仓储量为】:4【现仓储量为】:1【现仓储量为】:3【现仓储量为】:3【现仓储量为】:3【现仓储量为】:4

附录：

另一种Demo

import java.util.concurrent.BlockingQueue;import java.util.concurrent.ExecutorService;import java.util.concurrent.Executors;import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;/** * java多线程模拟生产者消费者问题 *  * ProducerConsumer是主类， Producer生产者，  * Consumer消费者， Product产品， Storage仓库 *  */public class ProducerConsumer {public static void main(String[] args) {ProducerConsumer pc = new ProducerConsumer();Storage s = pc.new Storage();ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();Producer p = pc.new Producer("生产者1", s);Producer p2 = pc.new Producer("生产者2", s);Consumer c = pc.new Consumer("消费者1", s);Consumer c2 = pc.new Consumer("消费者2", s);Consumer c3 = pc.new Consumer("消费者3", s);service.submit(p);service.submit(p2);service.submit(c);service.submit(c2);service.submit(c3);}/** * 消费者 */class Consumer implements Runnable {private String name;private Storage s = null;public Consumer(String name, Storage s) {this.name = name;this.s = s;}public void run() {try {while (true) {System.out.println(name + "准备消费产品.");Product product = s.pop();System.out.println(name + "已消费(" + product.toString() + ").");System.out.println("===============");Thread.sleep(500);}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}}/** * 生产者 */class Producer implements Runnable {private String name;private Storage s = null;public Producer(String name, Storage s) {this.name = name;this.s = s;}public void run() {try {while (true) {// 产生0~9999随机整数Product product = new Product((int) (Math.random() * 10000));System.out.println(name + "准备生产(" + product.toString() + ").");s.push(product);System.out.println(name + "已生产(" + product.toString() + ").");System.out.println("===============");Thread.sleep(1000);}} catch (InterruptedException e1) {e1.printStackTrace();}}}/** * 仓库，用来存放产品 *  * @author  * @version  */public class Storage {BlockingQueue<Product> queues = new LinkedBlockingQueue<Product>(10);/** * 生产 *  * @param p *            产品 * @throws InterruptedException */public void push(Product p) throws InterruptedException {queues.put(p);}/** * 消费 *  * @return 产品 * @throws InterruptedException */public Product pop() throws InterruptedException {return queues.take();}}/** * 产品 */public class Product {private int id;public Product(int id) {this.id = id;}// 重写toString方法public String toString() {return "产品：" + this.id;}}}

消费者2准备消费产品.消费者3准备消费产品.消费者1准备消费产品.生产者2准备生产(产品：4261).生产者1准备生产(产品：9436).消费者2已消费(产品：4261).===============生产者2已生产(产品：4261).===============消费者3已消费(产品：9436).===============生产者1已生产(产品：9436).===============消费者2准备消费产品.消费者3准备消费产品.生产者2准备生产(产品：931).生产者2已生产(产品：931).

附录：

交替打印

/* * 编写一个程序，开启 3 个线程，这三个线程的 ID 分别为 A、B、C，每个线程将自己的 ID 在屏幕上打印 10 遍，要求输出的结果必须按顺序显示。 *如：ABCABCABC…… 依次递归 */

import java.util.concurrent.locks.Condition;import java.util.concurrent.locks.Lock;import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class TestABCAlternate {public static void main(String[] args) {AlternateDemo ad = new AlternateDemo();new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {for (int i = 1; i <= 10; i++) {ad.loopA(i);}}}, "A").start();new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {for (int i = 1; i <= 10; i++) {ad.loopB(i);}}}, "B").start();new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {for (int i = 1; i <= 10; i++) {ad.loopC(i);System.out.println("-----------------------------------");}}}, "C").start();}}class AlternateDemo {private int number = 1; // 当前正在执行线程的标记private Lock lock = new ReentrantLock();private Condition condition1 = lock.newCondition();private Condition condition2 = lock.newCondition();private Condition condition3 = lock.newCondition();/** * @param totalLoop *            : 循环第几轮 */public void loopA(int totalLoop) {lock.lock();try {// 1. 判断if (number != 1) {condition1.await();}// 2. 打印for (int i = 1; i <= 1; i++) {System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "\t" + i + "\t" + totalLoop);}// 3. 唤醒number = 2;condition2.signal();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}}public void loopB(int totalLoop) {lock.lock();try {// 1. 判断if (number != 2) {condition2.await();}// 2. 打印for (int i = 1; i <= 1; i++) {System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "\t" + i + "\t" + totalLoop);}// 3. 唤醒number = 3;condition3.signal();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}}public void loopC(int totalLoop) {lock.lock();try {// 1. 判断if (number != 3) {condition3.await();}// 2. 打印for (int i = 1; i <= 1; i++) {System.out.println(Thread.currentThread().getName()+ "\t" + i + "\t" + totalLoop);}// 3. 唤醒number = 1;condition1.signal();} catch (Exception e) {e.printStackTrace();} finally {lock.unlock();}}}

http://blog.csdn.net/monkey_d_meng/article/details/6251879
http://www.cnblogs.com/linjiqin/p/3217050.html