Java中生产者与消费者模式-优快云博客

生产者消费者模式

首先来了解什么是生产者消费者模式。该模式也称有限缓冲问题（英语：Bounded-buffer problem），是一个多线程同步问题的经典案例。该问题描述了两个共享固定大小缓冲区的线程——即所谓的“生产者”和“消费者”——在实际运行时会发生的问题。生产者的主要作用是生成一定量的数据放到缓冲区中，然后重复此过程。与此同时，消费者也在缓冲区消耗这些数据。该问题的关键就是要保证生产者不会在缓冲区满时加入数据，消费者也不会在缓冲区中空时消耗数据。

要解决该问题，就必须让生产者在缓冲区满时休眠（要么干脆就放弃数据），等到下次消费者消耗缓冲区中的数据的时候，生产者才能被唤醒，开始往缓冲区添加数据。同样，也可以让消费者在缓冲区空时进入休眠，等到生产者往缓冲区添加数据之后，再唤醒消费者。通常采用进程间通信的方法解决该问题，常用的方法有信号灯法等。如果解决方法不够完善，则容易出现死锁的情况。出现死锁时，两个线程都会陷入休眠，等待对方唤醒自己。该问题也能被推广到多个生产者和消费者的情形。

2 用wait和notify实现

这种方法的基本原理是：一个线程负责生产数据，放到共享区域，然后通知另一个线程去消耗数据。如果没有wait()和notify(),消费者线程就要不停去检查是否有数据被产生。

接下来介绍一下wait()和notify()，在这里把它们和sleep()做一个对比，方便理解

不同点	sleep()	wait()和notify()
原理	线程用来控制自身流程，会使该线程暂停执行一段时间，把执行机会让给其它线程。时间一到就复苏。	是Object类的方法，会使当前拥有该对象锁的进程等待，直到其他线程调用notify()方法。
锁的处理机制	只是让线程暂停执行一段时间，不会释放锁	调用wait()，线程会释放掉锁
使用区域	必须放在同步控制方法或者同步语句块中	可以放在任何地方
异常	必须捕获异常，例如InterruptedException等	不用捕获异常

sleep不会释放锁，容易导致死锁（在我的上一篇博客 JAVA多线程（二）竞态条件、死锁及同步机制有描述）。因此推荐使用wait()和notify()。下面转载一份源代码,

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
import org.apache.log4j.Logger;

public class InterThreadCommunicationExample { public static void main(String args[]) { final Queue sharedQ = new LinkedList(); Thread producer = new Producer(sharedQ); Thread consumer = new Consumer(sharedQ); producer.start(); consumer.start(); } } public class Producer extends Thread { private static final Logger logger = Logger.getLogger(Producer.class); private final Queue sharedQ; public Producer(Queue sharedQ) { super("Producer"); this.sharedQ = sharedQ; } @Override public void run() { for (int i = 0; i < 4; i++) { synchronized (sharedQ) { //waiting condition - wait until Queue is not empty while (sharedQ.size() >= 1) { try { logger.debug("Queue is full, waiting"); sharedQ.wait(); } catch (InterruptedException ex) { ex.printStackTrace(); } } logger.debug("producing : " + i); sharedQ.add(i); sharedQ.notify(); } } } } public class Consumer extends Thread { private static final Logger logger = Logger.getLogger(Consumer.class); private final Queue sharedQ; public Consumer(Queue sharedQ) { super("Consumer"); this.sharedQ = sharedQ; } @Override public void run() { while(true) { synchronized (sharedQ) { //waiting condition - wait until Queue is not empty while (sharedQ.size() == 0) { try { logger.debug("Queue is empty, waiting"); sharedQ.wait(); } catch (InterruptedException ex) { ex.printStackTrace(); } } int number = sharedQ.poll(); logger.debug("consuming : " + number ); sharedQ.notify(); //termination condition if(number == 3){break; } } } } } Output: 05:41:57,244 0 [Producer] DEBUG concurrency.Producer - producing : 0 05:41:57,260 16 [Producer] DEBUG concurrency.Producer - Queue is full, waiting 05:41:57,260 16 [Consumer] DEBUG concurrency.Consumer - consuming : 0 05:41:57,260 16 [Consumer] DEBUG concurrency.Consumer - Queue is empty, waiting 05:41:57,260 16 [Producer] DEBUG concurrency.Producer - producing : 1 05:41:57,260 16 [Producer] DEBUG concurrency.Producer - Queue is full, waiting 05:41:57,260 16 [Consumer] DEBUG concurrency.Consumer - consuming : 1 05:41:57,260 16 [Consumer] DEBUG concurrency.Consumer - Queue is empty, waiting 05:41:57,260 16 [Producer] DEBUG concurrency.Producer - producing : 2 05:41:57,260 16 [Producer] DEBUG concurrency.Producer - Queue is full, waiting 05:41:57,260 16 [Consumer] DEBUG concurrency.Consumer - consuming : 2 05:41:57,260 16 [Consumer] DEBUG concurrency.Consumer - Queue is empty, waiting 05:41:57,260 16 [Producer] DEBUG concurrency.Producer - producing : 3 05:41:57,276 32 [Consumer] DEBUG concurrency.Consumer - consuming : 3

3 使用阻塞队列实现

使用wait()和notify()是经典方法，这里介绍一个高级方法。

BlockingQueue中提供了put()和take()方法，可以极大简化生产者消费者模式的实现过程。这一过程的基本原理是，如果队列满了，put()方法就会被阻塞；如果队列是空的，take()方法会阻塞。与传统的wait()和notify()方法相比，使用阻塞队列更简单，更便于理解。下面是一个简单的例子：

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.logging.Level;
import java.util.logging.Logger;

public class ProducerConsumerPattern {

    public static void main(String args[]){ //Creating shared object BlockingQueue sharedQueue = new LinkedBlockingQueue(); //Creating Producer and Consumer Thread Thread prodThread = new Thread(new Producer(sharedQueue)); Thread consThread = new Thread(new Consumer(sharedQueue)); //Starting producer and Consumer thread prodThread.start(); consThread.start(); } } //Producer Class in java class Producer implements Runnable { private final BlockingQueue sharedQueue; public Producer(BlockingQueue sharedQueue) { this.sharedQueue = sharedQueue; } @Override public void run() { for(int i=0; i<10; i++){ try { System.out.println("Produced: " + i); sharedQueue.put(i); } catch (InterruptedException ex) { Logger.getLogger(Producer.class.getName()).log(Level.SEVERE, null, ex); } } } } //Consumer Class in Java class Consumer implements Runnable{ private final BlockingQueue sharedQueue; public Consumer (BlockingQueue sharedQueue) { this.sharedQueue = sharedQueue; } @Override public void run() { while(true){ try { System.out.println("Consumed: "+ sharedQueue.take()); } catch (InterruptedException ex) { Logger.getLogger(Consumer.class.getName()).log(Level.SEVERE, null, ex); } } } } Output: Produced: 0 Produced: 1 Consumed: 0 Produced: 2 Consumed: 1 Produced: 3 Consumed: 2 Produced: 4 Consumed: 3 Produced: 5 Consumed: 4 Produced: 6 Consumed: 5 Produced: 7 Consumed: 6 Produced: 8 Consumed: 7 Produced: 9 Consumed: 8 Consumed: 9