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Java 多线程学习笔记：生产者消费者问题
前言：最近在学习Java多线程，看到ImportNew网上有网友翻译的一篇文章《阻塞队列实现生产者消费者模式》。在文中，使用的是Java的concurrent包中的阻塞队列来实现。在看完后，自行实现阻塞队列。
（一）准备
在多线程中，生产者-消费者问题是一个经典的多线程同步问题。简单来说就是有两种线程（在这里也可以做进程理解）——生产者和消费者，他们共享一个固定大小的缓存区（如一个队列）。生产者负责产生放入新数据，消费者负责取出缓存区的数据。具体介绍请参考 Producer-consumer problem 。
（二）设计概述
详细的代码可以到我的 Github 仓库下载（master分支为详细的代码，输出所有的必要信息；simplification分支为简化的代码）。
项目代码，分为四个类：Consumer类为消费者线程，Producer类为生产者线程，ProducerConsumer测试的启动类，ProducerConsumerQueue类为阻塞队列。
在多线程中，生产者不断向队列放入新数据，当队列已满时，生产者将被阻塞，直到消费者从队列中取出部分数据并唤醒生产者；消费者不断从队列取出数据，当队列为空时，消费者将被阻塞，直到生产者再次放入新数据并唤醒消费者。在JAVA的concurrent包中，提供了一系列阻塞队列帮我们完成这一工作。这一工作也恰好是生产者消费者的问题的关键所在。在这里，我将自行实现阻塞队列：ProducerConsumerQueue；
（三）详细实现
（1）ProducerConsumerQueue类
1 public final class ProducerConsumerQueue<E> { 2 //声明一个重入锁 3 private final Lock lock = new ReentrantLock(); 4 private final Condition notEmpty = lock.newCondition(); 5 private final Condition notFull = lock.newCondition(); 6 //缓存大小 7 private final int CAPACITY; 8 //存储数据的缓存队列 9 private Queue<E> queue;10 11 public ProducerConsumerQueue(int CAPACITY) {12 this.CAPACITY = CAPACITY;13 this.queue = new LinkedList<E>();14 }15 16 //put the e into the queue17 public void put(E e) throws InterruptedException {18 lock.lock();19 20 try {21 while (queue.size() == this.CAPACITY)22 this.notFull.await();23 queue.offer(e);24 this.notEmpty.signalAll();25 } finally {26 lock.unlock();27 }28 }29 30 //get e from queue.31 public E take() throws InterruptedException {32 lock.lock();33 34 try {35 while (queue.size() == 0)36 this.notEmpty.await();37 this.notFull.signalAll();38 return queue.poll();39 } finally {40 lock.unlock();41 }42 }43 }
该队列提供put()和take()方法，前者用于生产者放入数据，后者用于消费者取出数据。
在put方法中，首先要获得锁。然后检测是否队列已满，如果是，阻塞生产者线程，并释放锁；当再次获得锁时，这里使用了while语句，使得线程再次检查队列是否已满，如果未满，放入数据到缓存，并唤醒可能阻塞的消费者线程。在这里使用while，目的是防止其他生产者线程已经唤醒，并且成功放入新数据到队列，然后阻塞，而该线程又再次放入，导致可能缓存溢出。
在take方法中，同样要先获得锁。检测队列是否已空，如果是，阻塞消费者线程，释放锁；当被唤醒并再次获得锁时，使用while再次检查队列是否仍为空，如果非空，则取出缓存数据。while同样为了防止其他消费者对一个空队列取数据。
（2）Consumer类
1 public class Consumer implements Runnable { 2 private final ProducerConsumerQueue sharedQueue; 3 4 public Consumer(ProducerConsumerQueue sharedQueue) { 5 this.sharedQueue = sharedQueue; 6 } 7 8 @Override 9 public void run() {10 while (true) {11 try {12 synchronized (this){13 System.out.println("\tConsumer: " + sharedQueue.take());14 }15 } catch (InterruptedException ex) {16 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " throw a interrupexception.");17 //do something.18 }19 }20 }21 }
消费者线程持续从队列中取出数据。
（3）Producer类
1 public class Producer implements Runnable { 2 private final ProducerConsumerQueue sharedQueue; 3 4 public Producer(ProducerConsumerQueue sharedQueue) { 5 this.sharedQueue = sharedQueue; 6 } 7 8 @Override 9 public void run() {10 for (int i = 0; i < 20; i++) {11 try {12 synchronized (this){13 System.out.println("Producer: "+i);14 sharedQueue.put(i);15 }16 } catch (InterruptedException ex) {17 System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " throw a interrupexception. ");18 //do something.19 }20 }21 }22 }
生产者线程产生数据并放入队列中。
（4）ProducerConsumer测试类
public class ProducerConsumer { public static void main(String[] args) { ProducerConsumerQueue sharedQueue = new ProducerConsumerQueue(4); Thread prodThread = new Thread(new Producer(sharedQueue)); Thread consThread1 = new Thread(new Consumer(sharedQueue)); Thread consThread2 = new Thread(new Consumer(sharedQueue)); prodThread.start(); consThread1.start(); consThread2.start(); }}
创建一个生产者线程和两个消费者线程。
扩展：
1、Wikipedia：http://en.wikipedia.org/wiki/Producer%E2%80%93consumer_problem
2、《聊聊并发——生产者和消费者模式》http://www.infoq.com/cn/articles/producers-and-consumers-mode
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