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生产者/消费者问题的多种Java实现方式--转

2024-07-02 18:35:34   227人阅读

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：

import java.util.LinkedList;

/**
 * 仓库类Storage实现缓冲区
 * 
 * Email:530025983@qq.com
 * 
 * @author MONKEY.D.MENG 2011-03-15
 * 
 */
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;
    }
}
/**
 * 生产者类Producer继承线程类Thread
 * 
 * Email:530025983@qq.com
 * 
 * @author MONKEY.D.MENG 2011-03-15
 * 
 */
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;
    }
}
/**
 * 消费者类Consumer继承线程类Thread
 * 
 * Email:530025983@qq.com
 * 
 * @author MONKEY.D.MENG 2011-03-15
 * 
 */
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;
    }
}
/**
 * 测试类Test
 * 
 * Email:530025983@qq.com
 * 
 * @author MONKEY.D.MENG 2011-03-15
 * 
 */
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();
    }
}
【要消费的产品数量】:50    【库存量】:0    暂时不能执行生产任务!
【要消费的产品数量】:30    【库存量】:0    暂时不能执行生产任务!
【要消费的产品数量】:20    【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!
【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】:10    【现仓储量为】:20
【要消费的产品数量】:50    【库存量】:20    暂时不能执行生产任务!
【要消费的产品数量】:30    【库存量】:20    暂时不能执行生产任务!
【已经消费产品数】:20    【现仓储量为】:0
【已经生产产品数】:10    【现仓储量为】:10
【已经生产产品数】:10    【现仓储量为】:20
【已经生产产品数】:80    【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!
【已经消费产品数】:30    【现仓储量为】:70
【已经消费产品数】:50    【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

看完上述代码，对wait() / notify()方法实现的同步有了了解。你可能会对Storage类中为什么要定义public void produce(int num);和public void consume(int num);方法感到不解，为什么不直接在生产者类Producer和消费者类Consumer中实现这两个方法，却要调用Storage类中的实现呢？淡定，后文会有解释。我们先往下走。

 

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：

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
 * 
 * Email:530025983@qq.com
 * 
 * @author MONKEY.D.MENG 2011-03-15
 * 
 */
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;
    }
}
【要消费的产品数量】:50    【库存量】:0    暂时不能执行生产任务!
【要消费的产品数量】:30    【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
【已经生产产品数】:10    【现仓储量为】:20
【要消费的产品数量】:50    【库存量】:20    暂时不能执行生产任务!
【要消费的产品数量】:30    【库存量】:20    暂时不能执行生产任务!
【已经生产产品数】:10    【现仓储量为】:30
【要消费的产品数量】:50    【库存量】:30    暂时不能执行生产任务!
【已经消费产品数】:20    【现仓储量为】:10
【已经生产产品数】:10    【现仓储量为】:20
【要消费的产品数量】:30    【库存量】:20    暂时不能执行生产任务!
【已经生产产品数】:80    【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!
【已经消费产品数】:50    【现仓储量为】:50
【已经生产产品数】:10    【现仓储量为】:60
【已经消费产品数】:30    【现仓储量为】:30
【已经生产产品数】:10    【现仓储量为】:40

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：

import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

/**
 * 仓库类Storage实现缓冲区
 * 
 * Email:530025983@qq.com
 * 
 * @author MONKEY.D.MENG 2011-03-15
 * 
 */
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0
        if (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;
    }
}
【库存量】:0    暂时不能执行生产任务!
【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】:1
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:4
【现仓储量为】:5
【现仓储量为】:6
【现仓储量为】:7
【现仓储量为】:8
【现仓储量为】:9
【现仓储量为】:10
【现仓储量为】:11
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:2
【现仓储量为】:13
【现仓储量为】:14
【现仓储量为】:17
【现仓储量为】:19
【现仓储量为】:20
【现仓储量为】:21
【现仓储量为】:22
【现仓储量为】:23
【现仓储量为】:24
【现仓储量为】:25
【现仓储量为】:26
【现仓储量为】:12
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:2
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:4
【现仓储量为】:5
【现仓储量为】:6
【现仓储量为】:7
【现仓储量为】:27
【现仓储量为】:8
【现仓储量为】:6
【现仓储量为】:18
【现仓储量为】:2
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:4
【现仓储量为】:5
【现仓储量为】:6
【现仓储量为】:7
【现仓储量为】:8
【现仓储量为】:9
【现仓储量为】:10
【现仓储量为】:16
【现仓储量为】:11
【现仓储量为】:12
【现仓储量为】:13
【现仓储量为】:14
【现仓储量为】:15
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:2
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:15
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:0
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:1
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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。

对于Java实现生产者/消费者问题的方法先总结到这里面吧，过几天实现一下C++版本的，接下来要马上着手于基于生产者/消费者模式的《异步工作流服务框架的设计与实现》，请持续关注本博客。

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

 

 

 

 


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