生產者消費者問題是研究多線程時繞不開的問題，描述的是有一塊生產者和消費者共享的有界緩沖區，生產者往緩沖區放入產品，消費者從緩沖區取走產品，這個過程可以無休止的執行，不能因緩沖區滿生產者放不進產品而終止，也不能因緩沖區空消費者無產品可取而終止。
解決生產者消費者問題的方法有兩種，一種是采用某種機制保持生產者和消費者之間的同步，一種是在生產者和消費者之間建立一個管道。前一種有較高的效率并且可控制性較好，比較常用，后一種由于管道緩沖區不易控制及被傳輸數據對象不易封裝等原因，比較少用。
同步問題的核心在于，CPU是按時間片輪詢的方式執行程序，我們無法知道某一個線程是否被執行、是否被搶占、是否結束等，因此生產者完全可能當緩沖區已滿的時候還在放入產品，消費者也完全可能當緩沖區為空時還在取出產品。現在同步問題的解決方法一般是采用信號或者加鎖機制，即生產者線程當緩沖區已滿時放棄自己的執行權，進入等待狀態，并通知消費者線程執行。消費者線程當緩沖區已空時放棄自己的執行權，進入等待狀態，并通知生產者線程執行。這樣一來就保持了線程的同步，并避免了線程間互相等待而進入死鎖狀態。
JAVA語言提供了獨立于平臺的線程機制，保持了write once, run anywhere的特色。同時也提供了對同步機制的良好支持。
JAVA中一共有四種方法支持同步，其中三個是同步方法，一個是管道方法。
①方法wait()/notify()
②方法await()/signal()
③阻塞隊列方法BlockingQueue
④管道方法PipedInputStream/PipedOutputStream
一、方法wait()/notify()
wait()和notify()是根類Object的兩個方法，也就意味著所有的AVA類都具有這個兩個方法，可以認為所有的對象默認都具有一個鎖，雖然看不到也無法直接操作，但它是存在的。
wait()方法表示：當緩沖區已滿或空時，生產者或消費者線程停止自己的執行，放棄鎖，使自己處于等待狀態，讓另一個線程開始執行。
notify()方法表示：當生產者或消費者對緩沖區放入或取出一個產品時，向另一個線程發出可執行通知，同時放棄鎖，使自己處于等待狀態。
import java.util.LinkedList; public class Sycn1 { private LinkedList<Object> myList = new LinkedList<Object>(); private int MAX = 10; public void start() { new Thread(new Producer()).start(); new Thread(new Consumer()).start(); } public static void main(String[] args) throws Exception { Sycn1 s1 = new Sycn1(); s1.start(); } class Producer implements Runnable { public void run() { while (true) { synchronized (myList) { try { while (myList.size() == MAX) { System.out.println("warning: it's full!"); myList.wait(); } Object o = new Object(); if (myList.add(o)) { System.out.println("Producer: " + o); myList.notify(); } } catch (InterruptedException ie) { System.out.println("producer is interrupted!"); } } } } } class Consumer implements Runnable { public void run() { while (true) { synchronized (myList) { try { while (myList.size() == 0) { System.out.println("warning: it's empty!"); myList.wait(); } Object o = myList.removeLast(); System.out.println("Consumer: " + o); myList.notify(); } catch (InterruptedException ie) { System.out.println("consumer is interrupted!"); } } } } } } |
二、方法await()/signal()
在JDK5.0以后，JAVA提供了新的更加健壯的線程處理機制，包括了同步、鎖定、線程池等等，可以實現更小粒度上的控制。await()和signal()就是其中用來同步的兩種方法，功能基本上和wait()/notify()相同，完全可以取代它們，但是它們和新引入的鎖定機制Lock直接掛鉤，具有更大的靈活性。
import java.util.LinkedList; import java.util.concurrent.locks.*; public class Sycn2 { private LinkedList<Object> myList = new LinkedList<Object>(); private int MAX = 10; private final Lock lock = new ReentrantLock(); private final Condition full = lock.newCondition(); private final Condition empty = lock.newCondition(); public void start() { new Thread(new Producer()).start(); new Thread(new Consumer()).start(); } public static void main(String[] args) throws Exception { Sycn2 s2 = new Sycn2(); s2.start(); } class Producer implements Runnable { public void run() { while (true) { lock.lock(); try { while (myList.size() == MAX) { System.out.println("warning: it's full!"); full.await(); } Object o = new Object(); if (myList.add(o)) { System.out.println("Producer: " + o); empty.signal(); } } catch (InterruptedException ie) { System.out.println("producer is interrupted!"); } finally { lock.unlock(); } } } } class Consumer implements Runnable { public void run() { while (true) { lock.lock(); try { while (myList.size() == 0) { System.out.println("warning: it's empty!"); empty.await(); } Object o = myList.removeLast(); System.out.println("Consumer: " + o); full.signal(); } catch (InterruptedException ie) { System.out.println("consumer is interrupted!"); } finally { lock.unlock(); } } } } } |
三、阻塞隊列方法BlockingQueue
BlockingQueue也是JDK5.0的一部分，是一個已經在內部實現了同步的隊列，實現方式采用的是第2種await()/signal()方法。它可以在生成對象時指定容量大小。它用于阻塞操作的是put()和take()方法。
put()方法類似于上面的生產者線程，容量最大時自動阻塞。
take()方法類似于上面的消費者線程，容量為0時自動阻塞。
import java.util.concurrent.*; public class Sycn3 { private LinkedBlockingQueue<Object> queue = new LinkedBlockingQueue<Object>(10); private int MAX = 10; public void start() { new Thread(new Producer()).start(); new Thread(new Consumer()).start(); } public static void main(String[] args) throws Exception { Sycn3 s3 = new Sycn3(); s3.start(); } class Producer implements Runnable { public void run() { while (true) { try { if (queue.size() == MAX) System.out.println("warning: it's full!"); Object o = new Object(); queue.put(o); System.out.println("Producer: " + o); } catch (InterruptedException e) { System.out.println("producer is interrupted!"); } } } } class Consumer implements Runnable { public void run() { while (true) { try { if (queue.size() == 0) System.out.println("warning: it's empty!"); Object o = queue.take(); System.out.println("Consumer: " + o); } catch (InterruptedException e) { System.out.println("producer is interrupted!"); } } } } } |
運行一下代碼發現問題：
warning: it's full!
Producer: java.lang.object@4526e2a
可能這是因為put()和System.out.println()之間沒有同步造成的，但改寫成如下代碼仍然沒有改觀
class Producer implements Runnable { public void run() { while (true) { try { if (queue.size() == MAX) System.out.println("warning: it's full!"); Object o = new Object(); queue.put(o); System.out.println("Producer: " + o); } catch (InterruptedException e) { System.out.println("producer is interrupted!"); } } } } |
真正的原因是因為當緩沖區已滿，生產者在put()操作時，put()內部調用了await()方法放棄了線程的執行，然后消費者線程執行，調用take()方法，take()內部調用了signal()方法，通知生產者線程可以執行，致使在消費者的println()還沒運行的情況下生產者的println()先被執行，所以有了上面的輸出。run()中的synchronized其實并沒有起什么作用。對于BlockingQueue大家可以放心使用，這可不是它的問題，只是在和別的對象之間的同步有問題。對于這種多重嵌套同步的問題以后再談。
四、管道方法PipedInputStream/PipedOutputStream
這個類位于java.io包中，是解決同步問題的最簡單的辦法，一個線程將數據寫入管道，另一個線程從管道讀取數據，這樣便構成了一種生產者/消費者的緩沖區編程模式。在下面的代碼沒有使用Object對象，而是簡單的讀寫字節值，這是因為PipedInputStream/PipedOutputStream不允許傳輸對象，這是JAVA本身的一個bug,具體的大家可以看sun的解釋：http://bugs.sun.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=4131126
import java.io.*; public class Sycn4 { private PipedOutputStream pos; private PipedInputStream pis; public Sycn4() { try { pos = new PipedOutputStream(); pis = new PipedInputStream(pos); } catch (IOException e) { System.out.println(e); } } public void start() { new Producer().start(); new Consumer().start(); } public static void main(String[] args) throws Exception { Sycn4 s4 = new Sycn4(); s4.start(); } class Producer extends Thread { public void run() { try { while (true) { int b = (int) (Math.random() * 255); System.out.println("Producer: a byte, the value is " + b); pos.write(b); pos.flush(); } } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } finally { try { pos.close(); pis.close(); } catch (IOException e) { System.out.println(e); } } } } class Consumer extends Thread { public void run() { try { while (true) { int b = pis.read(); System.out.println("Consumer: a byte, the value is " + String.valueOf(b)); } } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } finally { try { pos.close(); pis.close(); } catch (IOException e) { System.out.println(e); } } } } } |