本文介绍了Java中实现生产者消费者模型的多种方法，包括wait/notify、await/signal、BlockingQueue及Semaphore等，并通过示例代码详细展示了每种方法的应用。
Java实现生产者消费者模型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方法
（5）Semaphore方法
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：
<span style="font-size:18px;"><span style="font-size:18px;">package com.ft.com.nextxteam.test;
import java.util.LinkedList;
/**
* 使用wait/notify处理消费者问题
* Created by drjr on 16-9-19.
*/
public class TestProductConm {
public static 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;
}
}
public static 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;
}
}
public static 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;
}
}
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();
}
}</span></span>
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：
<span style="font-size:18px;"><span style="font-size:18px;">package com.ft.com.nextxteam.test;
import java.util.LinkedList;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
* 使用wait/notify处理消费者问题
* Created by drjr on 16-9-19.
*/
public class TestProductConm {
public static 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();
}
// 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;
}
}
public static 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;
}
}
public static 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;
}
}
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();
}
}</span></span>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：
<span style="font-size:18px;"><span style="font-size:18px;">package com.ft.com.nextxteam.test;
import java.util.LinkedList;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
* 使用wait/notify处理消费者问题
* Created by drjr on 16-9-19.
*/
public class TestProductConm {
public static 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>();
// 生产num个产品
public void produce(int num) {
// 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!");
}
// 生产条件满足情况下，生产num个产品
for (int i = 1; i <= num; ++i) {
try {
list.put(new Object());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println("【已经生产产品数】:" + num + "/t【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
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!");
}
// 消费条件满足情况下，消费num个产品
for (int i = 1; i <= num; ++i) {
try {
list.take();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println("【已经消费产品数】:" + num + "/t【现仓储量为】:" + list.size());
}
// get/set方法
public LinkedBlockingQueue<Object> getList() {
return list;
}
public void setList(LinkedBlockingQueue<Object> list) {
this.list = list;
}
public int getMAX_SIZE() {
return MAX_SIZE;
}
}
public static 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;
}
}
public static 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;
}
}
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();
}
}</span></span>四、Semaphore方法
信号量（Semaphore）维护了一个许可集。在许可可用前会阻塞每一个 acquire()，然后再获取该许可。每个 release() 添加一个许可，从而可能释放一个正在阻塞的获取者。但是，不使用实际的许可对象，Semaphore 只对可用许可的号码进行计数，并采取相应的行动。
Semaphore 通常用于限制可以访问某些资源（物理或逻辑的）的线程数目。
注意，调用 acquire() 时无法保持同步锁，因为这会阻止将项返回到池中。信号量封装所需的同步，以限制对池的访问，这同维持该池本身一致性所需的同步是分开的。同步令牌（notFull.acquire()）必须在互斥令牌（mutex.acquire()）前面获得，如果先得到互斥锁再发生等待，会造成死锁。
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