生产者-消费者Java实现

2017-07-27

1 概述

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生产者消费者问题是多线程的一个经典问题，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：

• 采用某种机制保护生产者和消费者之间的同步；
• 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。

在Java中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。

• wait() / notify()方法
• await() / signal()方法
• BlockingQueue阻塞队列方法
• PipedInputStream / PipedOutputStream

本文只介绍前三种。

2 实现

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2.1 wait() / notify()方法

wait() / nofity()方法是基类Object的两个方法：

• 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。

缓冲区Storage.java代码如下：

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

Test.java

public class Test {    public static void main(String[] args)    {        Storage storage=new Storage();        for(int i=1;i<6;i++)        {            int finalI = i;            new Thread(new Runnable() {                @Override                public void run() {                    storage.produce(String.format("生成者%d:", finalI));                }            }).start();        }        for(int i=1;i<4;i++)        {            int finalI = i;            new Thread(()-> storage.consume(String.format("消费者%d:", finalI))).start();        }    }}

结果如下：

仓库已空，【消费者1】： 暂时不能执行消费任务!【生产者3】：生产了一个产品    【现仓储量为】:1【消费者2】：消费了一个产品    【现仓储量为】:0仓库已空，【消费者3】： 暂时不能执行消费任务!【生产者1】：生产了一个产品    【现仓储量为】:1【生产者4】：生产了一个产品    【现仓储量为】:2【生产者2】：生产了一个产品    【现仓储量为】:3【生产者5】：生产了一个产品    【现仓储量为】:4【消费者1】：消费了一个产品    【现仓储量为】:3【消费者3】：消费了一个产品    【现仓储量为】:2

2.2 await() / signal()方法

await()和signal()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。

缓冲区Storage.java代码如下：

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

2.3 BlockingQueue

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。

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