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

1、Object的waitnotify方法

Object.wait()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。

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。

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。

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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();
}
}

2、对共享缓冲区进行封装

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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();
}
}

3、BlockingQueue

java.util.concurrent包中有很多类似于上面的Buffer的数据结构,不同的是它们大都使用并发库中的ReentrantLock实现线程的互斥访问。通常它们都是BlockingQueue接口的实现类:

BlockingQueue

BlockingQueue.put()BlockingQueue.take()方法和上面的我写的例子中的Buffer.put()Buffer.take()方法基本类似,不同之处是BlockingQueue.put()BlockingQueue.take()InterruptedException抛出来交给外部处理。

在后续的文章中我会对ReentrantLock和这一系列BlockingQueue进行简单的使用和原理分析

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