[Java] 生产者消费者Java实现

xiaoxiao2021-02-28  6

1 概述


 

生产者消费者问题是多线程的一个经典问题,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:

采用某种机制保护生产者和消费者之间的同步;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。

在Java中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。

wait() / notify()方法await() / signal()方法BlockingQueue阻塞队列方法PipedInputStream / PipedOutputStream

本文只介绍前三种。

2 实现


 

2.1 wait() / notify()方法

wait() / nofity()方法是基类Object的两个方法:

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。

缓冲区Storage.java代码如下:

import java.util.LinkedList; 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>(); // 生产产品 public void produce(String producer) { synchronized (list) { // 如果仓库已满 while (list.size() == MAX_SIZE) { System.out.println("仓库已满,【"+producer+"】: 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(); } } // 生产产品 list.add(new Object()); System.out.println("【"+producer+"】:生产了一个产品\t【现仓储量为】:" + list.size()); list.notifyAll(); } } // 消费产品 public void consume(String consumer) { synchronized (list) { //如果仓库存储量不足 while (list.size()==0) { System.out.println("仓库已空,【"+consumer+"】: 暂时不能执行消费任务!"); try { // 由于条件不满足,消费阻塞 list.wait(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } list.remove(); System.out.println("【"+consumer+"】:消费了一个产品\t【现仓储量为】:" + list.size()); list.notifyAll(); } } 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Producer.java代码如下:

public class Producer extends Thread { private String producer; private Storage storage; public Producer(Storage storage) { this.storage = storage; } @Override public void run() { produce(producer); } public void produce(String producer) { storage.produce(producer); } public String getProducer() { return producer; } public void setProducer(String producer) { this.producer = producer; } public Storage getStorage() { return storage; } public void setStorage(Storage storage) { this.storage = storage; } }

消费者Cosumer.java代码如下:

public class Consumer extends Thread { private String consumer; private Storage storage; public Consumer(Storage storage) { this.storage = storage; } @Override public void run() { consume(consumer); } public void consume(String consumer) { storage.consume(consumer); } public Storage getStorage() { return storage; } public void setStorage(Storage storage) { this.storage = storage; } public String getConsumer() { return consumer; } public void setConsumer(String consumer) { this.consumer = consumer; } }

结果如下:

仓库已空,【消费者1】: 暂时不能执行消费任务! 【生产者3】:生产了一个产品 【现仓储量为】:1 【消费者2】:消费了一个产品 【现仓储量为】:0 仓库已空,【消费者3】: 暂时不能执行消费任务! 【生产者1】:生产了一个产品 【现仓储量为】:1 【生产者4】:生产了一个产品 【现仓储量为】:2 【生产者2】:生产了一个产品 【现仓储量为】:3 【生产者5】:生产了一个产品 【现仓储量为】:4 【消费者1】:消费了一个产品 【现仓储量为】:3 【消费者3】:消费了一个产品 【现仓储量为】:2

2.2 await() / signal()方法

await()和signal()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。

缓冲区Storage.java代码如下:

import java.util.LinkedList; import java.util.concurrent.locks.Condition; import java.util.concurrent.locks.Lock; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; 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>(); // 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(); // 生产产品 public void produce(String producer) { lock.lock(); // 如果仓库已满 while (list.size() == MAX_SIZE) { System.out.println("仓库已满,【" + producer + "】: 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(); } } // 生产产品 list.add(new Object()); System.out.println("【" + producer + "】:生产了一个产品\t【现仓储量为】:" + list.size()); empty.signalAll(); // 释放锁 lock.unlock(); } // 消费产品 public void consume(String consumer) { // 获得锁 lock.lock(); // 如果仓库存储量不足 while (list.size() == 0) { System.out.println("仓库已空,【" + consumer + "】: 暂时不能执行消费任务!"); try { // 由于条件不满足,消费阻塞 empty.await(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } list.remove(); System.out.println("【" + consumer + "】:消费了一个产品\t【现仓储量为】:" + list.size()); full.signalAll(); // 释放锁 lock.unlock(); } public LinkedList<Object> getList() { return list; } public void setList(LinkedList<Object> list) { this.list = list; } public int getMAX_SIZE() { return MAX_SIZE; } }

2.3 BlockingQueue

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。

import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue; 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); // 生产产品 public void produce(String producer) { // 如果仓库已满 if (list.size() == MAX_SIZE) { System.out.println("仓库已满,【" + producer + "】: 暂时不能执行生产任务!"); } // 生产产品 try { list.put(new Object()); } catch (InterruptedException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } System.out.println("【" + producer + "】:生产了一个产品\t【现仓储量为】:" + list.size()); } // 消费产品 public void consume(String consumer) { // 如果仓库存储量不足 if (list.size() == 0) { System.out.println("仓库已空,【" + consumer + "】: 暂时不能执行消费任务!"); } try { list.take(); } catch (InterruptedException e) { // TODO Auto-generated catch block e.printStackTrace(); } System.out.println("【" + consumer + "】:消费了一个产品\t【现仓储量为】:" + list.size()); } public LinkedBlockingQueue<Object> getList() { return list; } public void setList(LinkedBlockingQueue<Object> list) { this.list = list; } public int getMAX_SIZE() { return MAX_SIZE; } }
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