线程安全的生产者消费者四种实现方法

问题描述

在IT技术面试过程中，我们经常会遇到生产者消费者问题(Producer-consumer problem)， 这是多线程并发协作问题的经典案例。场景中包含三个对象，生产者(Producer)，消费者(Consumer)以及一个固定大小的缓冲区(Buffer)。生产者的主要作用是不断生成数据放到缓冲区，消费者则从缓冲区不断消耗数据。该问题的关键是如何线程安全的操作共享数据块，保证生产者线程和消费者线程可以正确的更新数据块，主要考虑 1. 生产者不会在缓冲区满时加入数据. 2. 消费者应当停止在缓冲区时消耗数据. 3. 在同一时间应当只允许一个生产者或者消费者访问共享缓冲区（这一点是对于互斥操作访问共享区块的要求）。

解决方案

解决问题以上问题通常有信号量，wait & notify, 管道或者阻塞队列等几种思路。本文以Java语言为例一一进行举例讲解。

信号量

信号量(Semaphore)也称信号灯，是用来控制资源被同时访问的个数，比如控制访问数据库最大连接数的数量，线程通过acquire()获得连接许可，完成数据操作后，通过release()释放许可。对于生产者消费者问题来说，为了满足线程安全操作的要求，同一时间我们只允许一个线程访问共享数据区，因此需要一个大小为1的信号量mutex来控制互斥操作。注意到我们还定义了notFull 和 notEmpty 信号量，notFull用于标识当前可用区块的空间大小，当notFull size 大于0时表明"not full", producer 可以继续生产，等于0时表示空间已满，无法继续生产；同样，对于notEmpty信号量来说，大于0时表明 "not empty", consumer可以继续消耗，等于0 时表明没有产品，无法继续消耗。notFull初始size 为5 (5个available空间可供生产)，notEmpty初始为0(没有产品可供消耗)。

   /*** 
     数据仓储class，所有的producer和consumer共享这个class对象
   **/
    static class DataWareHouse {
       //共享数据区
        private final Queue<String> data = new LinkedList();
        //非满锁
        private final Semaphore notFull;
        //非空锁
        private final Semaphore notEmpty;
        //互斥锁
        private final Semaphore mutex;

        public DataWareHouse(int capacity) {
            this.notFull = new Semaphore(capacity);
            this.notEmpty = new Semaphore(0);
            mutex = new Semaphore(1);
        }
        public void offer(String x) throws InterruptedException {
            notFull.acquire(); //producer获取信号，notFull信号量减一
            mutex.acquire(); //当前进程获得信号，mutex信号量减1，其他线程被阻塞操作共享区块data
            data.add(x);
            mutex.release(); //mutex信号量+1, 其他线程可以继续信号操作共享区块data
            notEmpty.release(); //成功生产数据，notEmpty信号量加1
        }
        public String poll() throws InterruptedException {
            notEmpty.acquire(); //notEmpty信号减一
            mutex.acquire(