生产者-消费者问题

生产者-消费者问题也称为有界缓冲区问题。

存在于多进程或多线程下，多个进程或线程读取同一个公共固定大小缓冲区产生的竞争。

参考：生产者-消费者维基百科

一般实现：

存在竞争条件。

消费者读取计数器发现为零，准备sleep（），消费者此刻不是sleep（）状态；

进程切换，生产者生产数据放入缓冲区，调用wakeup（），然而消费者此刻不是sleep（）状态，信号丢失。

进程切换，消费者调用sleep（），进入睡眠。

生产者一直生产数据放入缓冲区，直到缓冲区满。而消费者一直处于sleep（）状态。

信号量（semaphore）：

三个信号量：

mutex：此信号量用于互斥，保证一个时刻只有一个进程读写缓冲区和相关变量。初始值为1。

full：表示槽位不为空；初始值为0。

empty：槽位为空；初始值是缓冲区大小。

对信号量的两种操作:down up 

注：down 和 up操作是系统调用，通过TSL或XCHG指令来确保同一时刻只有一个cpu对信号量进行操作，可实现原子操作。

对生产者而言：顺序调用down（&empty），up（&full）。即减少一个空槽位，增加一个有数据的槽位。当槽位等于缓冲区大小，睡眠。

对消费者而言：顺序调用down(&full) ,up(&empty) 。即减少一个有数据的槽位，增加一个空槽位。当槽位数为零，睡眠。

其中，读和写操作放在down(&mutex) up(&mutex)之间，这样就可以实现只有一个线程被执行。

down(&mutex)
	新数据放入缓冲区/从缓冲区取出数据
up(&mutex)

管程（monitor）:

摘自操作系统：

管程是一个由过程，变量及数据结构等组合成的一个集合，它们组成一个特殊的模块或软件包。

管程有一个很重要的特性，即任一时刻管程中只能有一个活跃进程，这一特性使管程能有效地完成互斥。

管程中采用两个条件变量：wait 和signal 。

当管程发现某个线程无法继续运行（如：生产者发现缓冲区变量），它会在某个条件变量上执行wait操作。

通过signal唤醒正在睡眠的进程。

其中java实现使用的是wait和notifyAll。

对多线程理解的不到位，感觉还是不懂。

附练习的代码。

java实现：（模拟多个生产者和消费者不限制次数运行）

生产者：

/**
 * 生产者
 * Created by bigliang on 2016/10/6.
 */
public class Producer extends Thread {
    String name;
    int needNum;
    Monitor monitor ;

    public Producer(String name,  Monitor monitor) {
        this.name = name;
        this.monitor = monitor;
    }

    @Override
    public void run() {
        Random random = new Random(47);
        while(true){
            needNum = random.nextInt(50)+1;
            monitor.produce(name,needNum);}
    }
}

消费者：

/**
 * 消费者
 * Created by bigliang on 2016/10/6.
 */
public class Consumer extends  Thread {
    String name;
    int needNum;
    Monitor monitor;

    public Consumer(String name,  Monitor monitor) {
        this.name = name;
        this.monitor = monitor;
    }

    @Override
    public void run() {
        Random random = new Random(47);
        while(true){
            needNum = random.nextInt(50)+1;
            monitor.consume(name,needNum);}
    }
}

管程：

/**
 * 管程
 * Created by bigliang on 2016/10/6.
 */
public class Monitor {
    public static  final  int NUM= 100; //定义缓冲区大小的常量
    public  int count = 0 ; //计数器


    /**
     *
     * @param name 哪一个消费者
     * @param size 消费量
     */
    public synchronized void consume(String name,int size){
        while(size > count ){
            System.out.println(name+"：消费数量"+size+"，大于剩余库存"+count+"，无法消费，将进入wait（）状态");
            try {
                wait(); //不满足，等待
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        count  = count - size;       //满足
        System.out.println(name + "：消费" + size + "，目前总量是：" + count);
        notifyAll();     //唤醒wait（）的线程

    }

    /**
     *
     * @param name 哪一个生产者
     * @param size 生产量
     */
    public synchronized void produce(String name,int size){
        while (size + count >= NUM){        //判断是否可以生产
            System.out.println(name+"：生产数量"+size+",大于可生产数量"+(NUM - count)+"，无法生产，将进入wait（）状态");
            try {
                wait();  //不满足条件
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        count = count + size;       //满足
        System.out.println(name+"：生产"+size+"，目前总量是："+count);
        notifyAll();        //唤醒wait（）的线程
    }
}

main（）函数：

public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        Monitor monitor = new Monitor();
        Random random = new Random(47);

        Producer p1 = new Producer("生产者1",monitor);
        Producer p2 = new Producer("生产者2",monitor);
        Producer p3 = new Producer("生产者3",monitor);

        Consumer c1 = new Consumer("消费者1",monitor );
        Consumer c2 = new Consumer("消费者2",monitor );
        Consumer c3 = new Consumer("消费者3",monitor );
        Consumer c4 = new Consumer("消费者4",monitor );
        Consumer c5 = new Consumer("消费者5",monitor );
        Consumer c6 = new Consumer("消费者6",monitor );
        Consumer c7 = new Consumer("消费者7",monitor );
        Consumer c8 = new Consumer("消费者8",monitor );
        Consumer c9 = new Consumer("消费者9",monitor );

        p1.start();
        p2.start();
        p3.start();

        c1.start();
        c2.start();
        c3.start();
        c4.start();
        c5.start();
        c6.start();
        c7.start();
        c8.start();
        c9.start();
    }
}

运行结果如下：（截取部分）

生产者2：生产9，目前总量是：9
生产者2：生产6，目前总量是：15
生产者2：生产44，目前总量是：59
生产者2：生产12，目前总量是：71
生产者2：生产12，目前总量是：83
生产者2：生产数量30,大于可生产数量17，无法生产，将进入wait（）状态
生产者3：生产9，目前总量是：92
生产者3：生产6，目前总量是：98
生产者3：生产数量44,大于可生产数量2，无法生产，将进入wait（）状态
生产者2：生产数量30,大于可生产数量2，无法生产，将进入wait（）状态
消费者3：消费9，目前总量是：89
消费者3：消费6，目前总量是：83
消费者3：消费44，目前总量是：39
消费者3：消费12，目前总量是：27
消费者3：消费12，目前总量是：15
消费者3：消费数量30，大于剩余库存15，无法消费，将进入wait（）状态
生产者2：生产30，目前总量是：45
生产者2：生产19，目前总量是：64
生产者2：生产1，目前总量是：65
生产者2：生产23，目前总量是：88
生产者2：生产8，目前总量是：96
生产者2：生产数量39,大于可生产数量4，无法生产，将进入wait（）状态
消费者7：消费9，目前总量是：87
消费者7：消费6，目前总量是：81
消费者7：消费44，目前总量是：37
消费者7：消费12，目前总量是：25
消费者7：消费12，目前总量是：13
消费者7：消费数量30，大于剩余库存13，无法消费，将进入wait（）状态
生产者3：生产44，目前总量是：57
生产者3：生产12，目前总量是：69
生产者3：生产12，目前总量是：81
生产者3：生产数量30,大于可生产数量19，无法生产，将进入wait（）状态
消费者7：消费30，目前总量是：51
消费者7：消费19，目前总量是：32
消费者7：消费1，目前总量是：31
消费者7：消费23，目前总量是：8
生产者2：生产39，目前总量是：47
生产者2：生产29，目前总量是：76
生产者2：生产2，目前总量是：78
生产者2：生产数量40,大于可生产数量22，无法生产，将进入wait（）状态
消费者3：消费30，目前总量是：48
消费者3：消费19，目前总量是：29
消费者3：消费1，目前总量是：28
消费者3：消费23，目前总量是：5
消费者3：消费数量8，大于剩余库存5，无法消费，将进入wait（）状态
生产者2：生产40，目前总量是：45
生产者2：生产10，目前总量是：55
生产者2：生产29，目前总量是：84
生产者2：生产数量49,大于可生产数量16，无法生产，将进入wait（）状态
消费者7：消费8，目前总量是：76
消费者7：消费39，目前总量是：37
消费者7：消费29，目前总量是：8
消费者7：消费2，目前总量是：6
消费者7：消费数量40，大于剩余库存6，无法消费，将进入wait（）状态
消费者2：消费数量9，大于剩余库存6，无法消费，将进入wait（）状态
生产者1：生产9，目前总量是：15
生产者1：生产6，目前总量是：21
生产者1：生产44，目前总量是：65
生产者1：生产12，目前总量是：77
生产者1：生产12，目前总量是：89
生产者1：生产数量30,大于可生产数量11，无法生产，将进入wait（）状态
生产者3：生产数量30,大于可生产数量11，无法生产，将进入wait（）状态
消费者6：消费9，目前总量是：80
消费者6：消费6，目前总量是：74
消费者6：消费44，目前总量是：30
消费者6：消费12，目前总量是：18
消费者6：消费12，目前总量是：6
消费者6：消费数量30，大于剩余库存6，无法消费，将进入wait（）状态
消费者2：消费数量9，大于剩余库存6，无法消费，将进入wait（）状态
消费者7：消费数量40，大于剩余库存6，无法消费，将进入wait（）状态
生产者2：生产49，目前总量是：55
生产者2：生产12，目前总量是：67
生产者2：生产21，目前总量是：88
生产者2：生产9，目前总量是：97
生产者2：生产数量17,大于可生产数量3，无法生产，将进入wait（）状态
消费者3：消费8，目前总量是：89
消费者3：消费39，目前总量是：50
消费者3：消费29，目前总量是：21
消费者3：消费2，目前总量是：19
消费者3：消费数量40，大于剩余库存19，无法消费，将进入wait（）状态
生产者2：生产17，目前总量是：36
生产者2：生产41，目前总量是：77
生产者2：生产12，目前总量是：89
生产者2：生产数量23,大于可生产数量11，无法生产，将进入wait（）状态
消费者5：消费9，目前总量是：80
消费者5：消费6，目前总量是：74
消费者5：消费44，目前总量是：30
消费者5：消费12，目前总量是：18
消费者5：消费12，目前总量是：6
消费者5：消费数量30，大于剩余库存6，无法消费，将进入wait（）状态
消费者1：消费数量9，大于剩余库存6，无法消费，将进入wait（）状态
消费者7：消费数量40，大于剩余库存6，无法消费，将进入wait（）状态
消费者9：消费数量9，大于剩余库存6，无法消费，将进入wait（）状态
消费者2：消费数量9，大于剩余库存6，无法消费，将进入wait（）状态
消费者6：消费数量30，大于剩余库存6，无法消费，将进入wait（）状态
生产者3：生产30，目前总量是：36
生产者3：生产19，目前总量是：55
生产者3：生产1，目前总量是：56
生产者3：生产23，目前总量是：79
生产者3：生产8，目前总量是：87
生产者3：生产数量39,大于可生产数量13，无法生产，将进入wait（）状态
生产者1：生产数量30,大于可生产数量13，无法生产，将进入wait（）状态
消费者8：消费9，目前总量是：78
消费者8：消费6，目前总量是：72
消费者8：消费44，目前总量是：28
消费者8：消费12，目前总量是：16
消费者8：消费12，目前总量是：4
消费者8：消费数量30，大于剩余库存4，无法消费，将进入wait（）状态
消费者4：消费数量9，大于剩余库存4，无法消费，将进入wait（）状态
生产者1：生产30，目前总量是：34
生产者1：生产19，目前总量是：53
生产者1：生产1，目前总量是：54
生产者1：生产23，目前总量是：77
生产者1：生产8，目前总量是：85
生产者1：生产数量39,大于可生产数量15，无法生产，将进入wait（）状态
生产者3：生产数量39,大于可生产数量15，无法生产，将进入wait（）状态
消费者6：消费30，目前总量是：55
消费者6：消费19，目前总量是：36
消费者6：消费1，目前总量是：35
消费者6：消费23，目前总量是：12
消费者6：消费8，目前总量是：4
消费者6：消费数量39，大于剩余库存4，无法消费，将进入wait（）状态
消费者2：消费数量9，大于剩余库存4，无法消费，将进入wait（）状态
消费者9：消费数量9，大于剩余库存4，无法消费，将进入wait（）状态
消费者7：消费数量40，大于剩余库存4，无法消费，将进入wait（）状态
消费者1：消费数量9，大于剩余库存4，无法消费，将进入wait（）状态
消费者5：消费数量30，大于剩余库存4，无法消费，将进入wait（）状态
生产者2：生产23，目前总量是：27
生产者2：生产5，目前总量是：32
生产者2：生产34，目前总量是：66
生产者2：生产7，目前总量是：73
消费者3：消费40，目前总量是：33
生产者2：生产26，目前总量是：59
生产者2：生产11，目前总量是：70
生产者2：生产数量43,大于可生产数量30，无法生产，将进入wait（）状态
消费者5：消费30，目前总量是：40
消费者1：消费9，目前总量是：31
消费者7：消费数量40，大于剩余库存31，无法消费，将进入wait（）状态
消费者9：消费9，目前总量是：22
消费者9：消费6，目前总量是：16
消费者9：消费数量44，大于剩余库存16，无法消费，将进入wait（）状态
消费者2：消费9，目前总量是：7
消费者2：消费6，目前总量是：1
消费者2：消费数量44，大于剩余库存1，无法消费，将进入wait（）状态
消费者6：消费数量39，大于剩余库存1，无法消费，将进入wait（）状态
生产者3：生产39，目前总量是：40
生产者3：生产29，目前总量是：69
生产者3：生产2，目前总量是：71
生产者3：生产数量40,大于可生产数量29，无法生产，将进入wait（）状态
生产者1：生产数量39,大于可生产数量29，无法生产，将进入wait（）状态
消费者4：消费9，目前总量是：62
消费者4：消费6，目前总量是：56
消费者4：消费44，目前总量是：12
消费者4：消费12，目前总量是：0
消费者4：消费数量12，大于剩余库存0，无法消费，将进入wait（）状态
消费者8：消费数量30，大于剩余库存0，无法消费，将进入wait（）状态
生产者1：生产39，目前总量是：39
生产者1：生产29，目前总量是：68
生产者1：生产2，目前总量是：70
生产者1：生产数量40,大于可生产数量30，无法生产，将进入wait（）状态
生产者3：生产数量40,大于可生产数量30，无法生产，将进入wait（）状态
消费者6：消费39，目前总量是：31
消费者6：消费29，目前总量是：2
消费者6：消费2，目前总量是：0
消费者6：消费数量40，大于剩余库存0，无法消费，将进入wait（）状态
消费者2：消费数量44，大于剩余库存0，无法消费，将进入wait（）状态
消费者9：消费数量44，大于剩余库存0，无法消费，将进入wait（）状态
消费者7：消费数量40，大于剩余库存0，无法消费，将进入wait（）状态
消费者1：消费数量6，大于剩余库存0，无法消费，将进入wait（）状态
消费者5：消费数量19，大于剩余库存0，无法消费，将进入wait（）状态
生产者2：生产43，目前总量是：43
生产者2：生产25，目前总量是：68
生产者2：生产5，目前总量是：73
生产者2：生产1，目前总量是：74
生产者2：生产数量27,大于可生产数量26，无法生产，将进入wait（）状态
消费者3：消费10，目前总量是：64
消费者3：消费29，目前总量是：35
生产者2：生产27，目前总量是：62
生产者2：生产23，目前总量是：85
消费者5：消费19，目前总量是：66
消费者1：消费6，目前总量是：60
消费者7：消费40，目前总量是：20
消费者9：消费数量44，大于剩余库存20，无法消费，将进入wait（）状态
消费者2：消费数量44，大于剩余库存20，无法消费，将进入wait（）状态
消费者6：消费数量40，大于剩余库存20，无法消费，将进入wait（）状态
生产者3：生产40，目前总量是：60
生产者3：生产10，目前总量是：70
生产者3：生产29，目前总量是：99
生产者3：生产数量49,大于可生产数量1，无法生产，将进入wait（）状态
生产者1：生产数量40,大于可生产数量1，无法生产，将进入wait（）状态
消费者8：消费30，目前总量是：69
消费者8：消费19，目前总量是：50
消费者8：消费1，目前总量是：49
消费者8：消费23，目前总量是：26
消费者8：消费8，目前总量是：18
消费者8：消费数量39，大于剩余库存18，无法消费，将进入wait（）状态
消费者4：消费12，目前总量是：6
消费者4：消费数量30，大于剩余库存6，无法消费，将进入wait（）状态
消费者8：消费数量39，大于剩余库存6，无法消费，将进入wait（）状态
生产者1：生产40，目前总量是：46
生产者1：生产10，目前总量是：56
生产者1：生产29，目前总量是：85
生产者1：生产数量49,大于可生产数量15，无法生产，将进入wait（）状态
生产者3：生产数量49,大于可生产数量15，无法生产，将进入wait（）状态
消费者6：消费40，目前总量是：45
消费者6：消费10，目前总量是：35
消费者6：消费29，目前总量是：6
消费者6：消费数量49，大于剩余库存6，无法消费，将进入wait（）状态
消费者2：消费数量44，大于剩余库存6，无法消费，将进入wait（）状态
消费者9：消费数量44，大于剩余库存6，无法消费，将进入wait（）状态
消费者7：消费数量10，大于剩余库存6，无法消费，将进入wait（）状态
消费者1：消费数量44，大于剩余库存6，无法消费，将进入wait（）状态
消费者5：消费1，目前总量是：5
消费者5：消费数量23，大于剩余库存5，无法消费，将进入wait（）状态
生产者2：生产47，目前总量是：52
生产者2：生产34，目前总量是：86
生产者2：生产数量35,大于可生产数量14，无法生产，将进入wait（）状态
消费者3：消费49，目前总量是：37
消费者3：消费12，目前总量是：25
消费者3：消费21，目前总量是：4
消费者3：消费数量9，大于剩余库存4，无法消费，将进入wait（）状态
生产者2：生产35，目前总量是：39
生产者2：生产45，目前总量是：84
消费者5：消费23，目前总量是：61
消费者5：消费8，目前总量是：53
消费者5：消费39，目前总量是：14
消费者5：消费数量29，大于剩余库存14，无法消费，将进入wait（）状态
消费者1：消费数量44，大于剩余库存14，无法消费，将进入wait（）状态
消费者7：消费10，目前总量是：4
消费者9：消费数量44，大于剩余库存4，无法消费，将进入wait（）状态
消费者2：消费数量44，大于剩余库存4，无法消费，将进入wait（）状态
消费者6：消费数量49，大于剩余库存4，无法消费，将进入wait（）状态
生产者3：生产49，目前总量是：53
生产者3：生产12，目前总量是：65
生产者3：生产21，目前总量是：86
生产者3：生产9，目前总量是：95
生产者3：生产数量17,大于可生产数量5，无法生产，将进入wait（）状态
生产者1：生产数量49,大于可生产数量5，无法生产，将进入wait（）状态
消费者8：消费39，目前总量是：56
消费者8：消费29，目前总量是：27
消费者8：消费2，目前总量是：25
消费者8：消费数量40，大于剩余库存25，无法消费，将进入wait（）状态
消费者4：消费数量30，大于剩余库存25，无法消费，将进入wait（）状态
生产者1：生产49，目前总量是：74
生产者3：生产17，目前总量是：91

这里实现是加synchronized关键字。这个就可以保证不会发生竞争混乱的问题。

参考1：http://www.jasongj.com/java/multi_thread/

参考2：http://blog.youkuaiyun.com/monkey_d_meng/article/details/6251879

参考3：生产者-消费者维基百科