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生产者/消费者问题的多种Java实现方式

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实质上,很多后台服务程序并发控制的基本原理都可以归纳为生产者/消费者模式,而这是恰恰是在本科操作系统课堂上老师反复讲解,而我们却视而不见不以为然的。在博文一种面向作业流(工作流)的轻量级可复用的异步流水开发框架的设计与实现中将介绍一种生产者/消费者模式的具体应用。

 

生产者消费者问题是研究多线程程序时绕不开的经典问题之一,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:(1)采用某种机制保护生产者和消费者之间的同步;(2)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。因此本文只介绍同步机制实现的生产者/消费者问题。

 

同步问题核心在于:如何保证同一资源被多个线程并发访问时的完整性。常用的同步方法是采用信号或加锁机制,保证资源在任意时刻至多被一个线程访问。Java语言在多线程编程上实现了完全对象化,提供了对同步机制的良好支持。在Java中一共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。

 

1wait() / notify()方法

 

2await() / signal()方法

 

3BlockingQueue阻塞队列方法

 

4PipedInputStream / PipedOutputStream

 

本文只介绍最常用的前三种,第四种暂不做讨论,有兴趣的读者可以自己去网上找答案。

 

 

 

一、wait() / notify()方法

 

wait() / nofity()方法是基类Object的两个方法,也就意味着所有Java类都会拥有这两个方法,这样,我们就可以为任何对象实现同步机制。

 

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。

 

光看文字可能不太好理解,咱来段代码就明白了:

import java.util.LinkedList;

/**
 * 仓库类Storage实现缓冲区
 * 
 * Email:530025983@qq.com
 * 
 * @author MONKEY.D.MENG 2011-03-15
 * 
 */
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num个产品
	public void produce(int num)
	{
		// 同步代码段
		synchronized (list)
		{
			// 如果仓库剩余容量不足
			while (list.size() + num > MAX_SIZE)
			{
				System.out.println("【要生产的产品数量】:" + num + "/t【库存量】:"
				        + list.size() + "/t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();
				}
			}

			// 生产条件满足情况下,生产num个产品
			for (int i = 1; i <= num; ++i)
			{
				list.add(new Object());
			}

			System.out.println("【已经生产产品数】:" + num + "/t【现仓储量为】:" + list.size());

			list.notifyAll();
		}
	}

	// 消费num个产品
	public void consume(int num)
	{
		// 同步代码段
		synchronized (list)
		{
			// 如果仓库存储量不足
			while (list.size() < num)
			{
				System.out.println("【要消费的产品数量】:" + num + "/t【库存量】:"
				        + list.size() + "/t暂时不能执行生产任务!");
				try
				{
					// 由于条件不满足,消费阻塞
					list.wait();
				}
				catch (InterruptedException e)
				{
					e.printStackTrace();
				}
			}

			// 消费条件满足情况下,消费num个产品
			for (int i = 1; i <= num; ++i)
			{
				list.remove();
			}

			System.out.println("【已经消费产品数】:" + num + "/t【现仓储量为】:" + list.size());

			list.notifyAll();
		}
	}

	// get/set方法
	public LinkedList<Object> getList()
	{
		return list;
	}

	public void setList(LinkedList<Object> list)
	{
		this.list = list;
	}

	public int getMAX_SIZE()
	{
		return MAX_SIZE;
	}
}
/**
 * 生产者类Producer继承线程类Thread
 * 
 * Email:530025983@qq.com
 * 
 * @author MONKEY.D.MENG 2011-03-15
 * 
 */
public class Producer extends Thread
{
	// 每次生产的产品数量
	private int num;

	// 所在放置的仓库
	private Storage storage;

	// 构造函数,设置仓库
	public Producer(Storage storage)
	{
		this.storage = storage;
	}

	// 线程run函数
	public void run()
	{
		produce(num);
	}

	// 调用仓库Storage的生产函数
	public void produce(int num)
	{
		storage.produce(num);
	}

	// get/set方法
	public int getNum()
	{
		return num;
	}

	public void setNum(int num)
	{
		this.num = num;
	}

	public Storage getStorage()
	{
		return storage;
	}

	public void setStorage(Storage storage)
	{
		this.storage = storage;
	}
}
/**
 * 消费者类Consumer继承线程类Thread
 * 
 * Email:530025983@qq.com
 * 
 * @author MONKEY.D.MENG 2011-03-15
 * 
 */
public class Consumer extends Thread
{
	// 每次消费的产品数量
	private int num;

	// 所在放置的仓库
	private Storage storage;

	// 构造函数,设置仓库
	public Consumer(Storage storage)
	{
		this.storage = storage;
	}

	// 线程run函数
	public void run()
	{
		consume(num);
	}

	// 调用仓库Storage的生产函数
	public void consume(int num)
	{
		storage.consume(num);
	}

	// get/set方法
	public int getNum()
	{
		return num;
	}

	public void setNum(int num)
	{
		this.num = num;
	}

	public Storage getStorage()
	{
		return storage;
	}

	public void setStorage(Storage storage)
	{
		this.storage = storage;
	}
}
/**
 * 测试类Test
 * 
 * Email:530025983@qq.com
 * 
 * @author MONKEY.D.MENG 2011-03-15
 * 
 */
public class Test
{
	public static void main(String[] args)
	{
		// 仓库对象
		Storage storage = new Storage();

		// 生产者对象
		Producer p1 = new Producer(storage);
		Producer p2 = new Producer(storage);
		Producer p3 = new Producer(storage);
		Producer p4 = new Producer(storage);
		Producer p5 = new Producer(storage);
		Producer p6 = new Producer(storage);
		Producer p7 = new Producer(storage);

		// 消费者对象
		Consumer c1 = new Consumer(storage);
		Consumer c2 = new Consumer(storage);
		Consumer c3 = new Consumer(storage);

		// 设置生产者产品生产数量
		p1.setNum(10);
		p2.setNum(10);
		p3.setNum(10);
		p4.setNum(10);
		p5.setNum(10);
		p6.setNum(10);
		p7.setNum(80);

		// 设置消费者产品消费数量
		c1.setNum(50);
		c2.setNum(20);
		c3.setNum(30);

		// 线程开始执行
		c1.start();
		c2.start();
		c3.start();
		p1.start();
		p2.start();
		p3.start();
		p4.start();
		p5.start();
		p6.start();
		p7.start();
	}
}
【要消费的产品数量】:50	【库存量】:0	暂时不能执行生产任务!
【要消费的产品数量】:30	【库存量】:0	暂时不能执行生产任务!
【要消费的产品数量】:20	【库存量】:0	暂时不能执行生产任务!
【已经生产产品数】:10	【现仓储量为】:10
【要消费的产品数量】:20	【库存量】:10	暂时不能执行生产任务!
【要消费的产品数量】:30	【库存量】:10	暂时不能执行生产任务!
【要消费的产品数量】:50	【库存量】:10	暂时不能执行生产任务!
【已经生产产品数】:10	【现仓储量为】:20
【要消费的产品数量】:50	【库存量】:20	暂时不能执行生产任务!
【要消费的产品数量】:30	【库存量】:20	暂时不能执行生产任务!
【已经消费产品数】:20	【现仓储量为】:0
【已经生产产品数】:10	【现仓储量为】:10
【已经生产产品数】:10	【现仓储量为】:20
【已经生产产品数】:80	【现仓储量为】:100
【要生产的产品数量】:10	【库存量】:100	暂时不能执行生产任务!
【已经消费产品数】:30	【现仓储量为】:70
【已经消费产品数】:50	【现仓储量为】:20
【已经生产产品数】:10	【现仓储量为】:30
【已经生产产品数】:10	【现仓储量为】:40

 

看完上述代码,对wait() / notify()方法实现的同步有了了解。你可能会对Storage类中为什么要定义public void produce(int num);public void consume(int num);方法感到不解,为什么不直接在生产者类Producer和消费者类Consumer中实现这两个方法,却要调用Storage类中的实现呢?淡定,后文会有解释。我们先往下走。

 

 

 

二、await() / signal()方法

 

JDK5.0之后,Java提供了更加健壮的线程处理机制,包括同步、锁定、线程池等,它们可以实现更细粒度的线程控制。await()signal()就是其中用来做同步的两种方法,它们的功能基本上和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。下面来看代码:

import java.util.LinkedList;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * 仓库类Storage实现缓冲区
 * 
 * Email:530025983@qq.com
 * 
 * @author MONKEY.D.MENG 2011-03-15
 * 
 */
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>();

	// 锁
	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num个产品
	public void produce(int num)
	{
		// 获得锁
		lock.lock();

		// 如果仓库剩余容量不足
		while (list.size() + num > MAX_SIZE)
		{
			System.out.println("【要生产的产品数量】:" + num + "/t【库存量】:" + list.size()
			        + "/t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();
			}
		}

		// 生产条件满足情况下,生产num个产品
		for (int i = 1; i <= num; ++i)
		{
			list.add(new Object());
		}

		System.out.println("【已经生产产品数】:" + num + "/t【现仓储量为】:" + list.size());

		// 唤醒其他所有线程
		full.signalAll();
		empty.signalAll();

		// 释放锁
		lock.unlock();
	}

	// 消费num个产品
	public void consume(int num)
	{
		// 获得锁
		lock.lock();

		// 如果仓库存储量不足
		while (list.size() < num)
		{
			System.out.println("【要消费的产品数量】:" + num + "/t【库存量】:" + list.size()
			        + "/t暂时不能执行生产任务!");
			try
			{
				// 由于条件不满足,消费阻塞
				empty.await();
			}
			catch (InterruptedException e)
			{
				e.printStackTrace();
			}
		}

		// 消费条件满足情况下,消费num个产品
		for (int i = 1; i <= num; ++i)
		{
			list.remove();
		}

		System.out.println("【已经消费产品数】:" + num + "/t【现仓储量为】:" + list.size());

		// 唤醒其他所有线程
		full.signalAll();
		empty.signalAll();

		// 释放锁
		lock.unlock();
	}

	// set/get方法
	public int getMAX_SIZE()
	{
		return MAX_SIZE;
	}

	public LinkedList<Object> getList()
	{
		return list;
	}

	public void setList(LinkedList<Object> list)
	{
		this.list = list;
	}
}
【要消费的产品数量】:50	【库存量】:0	暂时不能执行生产任务!
【要消费的产品数量】:30	【库存量】:0	暂时不能执行生产任务!
【已经生产产品数】:10	【现仓储量为】:10
【已经生产产品数】:10	【现仓储量为】:20
【要消费的产品数量】:50	【库存量】:20	暂时不能执行生产任务!
【要消费的产品数量】:30	【库存量】:20	暂时不能执行生产任务!
【已经生产产品数】:10	【现仓储量为】:30
【要消费的产品数量】:50	【库存量】:30	暂时不能执行生产任务!
【已经消费产品数】:20	【现仓储量为】:10
【已经生产产品数】:10	【现仓储量为】:20
【要消费的产品数量】:30	【库存量】:20	暂时不能执行生产任务!
【已经生产产品数】:80	【现仓储量为】:100
【要生产的产品数量】:10	【库存量】:100	暂时不能执行生产任务!
【已经消费产品数】:50	【现仓储量为】:50
【已经生产产品数】:10	【现仓储量为】:60
【已经消费产品数】:30	【现仓储量为】:30
【已经生产产品数】:10	【现仓储量为】:40

 

只需要更新仓库类Storage的代码即可,生产者Producer、消费者Consumer、测试类Test的代码均不需要进行任何更改。这样我们就知道为神马我要在Storage类中定义public void produce(int num);public void consume(int num);方法,并在生产者类Producer和消费者类Consumer中调用Storage类中的实现了吧。将可能发生的变化集中到一个类中,不影响原有的构架设计,同时无需修改其他业务层代码。无意之中,我们好像使用了某种设计模式,具体是啥我忘记了,啊哈哈,等我想起来再告诉大家~

 

 

 

三、BlockingQueue阻塞队列方法

 

BlockingQueueJDK5.0的新增内容,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2await() / 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()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。

 

关于BlockingQueue的内容网上有很多,大家可以自己搜,我在这不多介绍。下面直接看代码,跟以往一样,我们只需要更改仓库类Storage的代码即可:

import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

/**
 * 仓库类Storage实现缓冲区
 * 
 * Email:530025983@qq.com
 * 
 * @author MONKEY.D.MENG 2011-03-15
 * 
 */
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num个产品
	public void produce(int num)
	{
		// 如果仓库剩余容量为0
		if (list.size() == MAX_SIZE)
		{
			System.out.println("【库存量】:" + MAX_SIZE + "/t暂时不能执行生产任务!");
		}

		// 生产条件满足情况下,生产num个产品
		for (int i = 1; i <= num; ++i)
		{
			try
			{
				// 放入产品,自动阻塞
				list.put(new Object());
			}
			catch (InterruptedException e)
			{
				e.printStackTrace();
			}

			System.out.println("【现仓储量为】:" + list.size());
		}
	}

	// 消费num个产品
	public void consume(int num)
	{
		// 如果仓库存储量不足
		if (list.size() == 0)
		{
			System.out.println("【库存量】:0/t暂时不能执行生产任务!");
		}

		// 消费条件满足情况下,消费num个产品
		for (int i = 1; i <= num; ++i)
		{
			try
			{
				// 消费产品,自动阻塞
				list.take();
			}
			catch (InterruptedException e)
			{
				e.printStackTrace();
			}
		}

		System.out.println("【现仓储量为】:" + list.size());
	}

	// set/get方法
	public LinkedBlockingQueue<Object> getList()
	{
		return list;
	}

	public void setList(LinkedBlockingQueue<Object> list)
	{
		this.list = list;
	}

	public int getMAX_SIZE()
	{
		return MAX_SIZE;
	}
}
【库存量】:0	暂时不能执行生产任务!
【库存量】:0	暂时不能执行生产任务!
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:4
【现仓储量为】:5
【现仓储量为】:6
【现仓储量为】:7
【现仓储量为】:8
【现仓储量为】:9
【现仓储量为】:10
【现仓储量为】:11
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:2
【现仓储量为】:13
【现仓储量为】:14
【现仓储量为】:17
【现仓储量为】:19
【现仓储量为】:20
【现仓储量为】:21
【现仓储量为】:22
【现仓储量为】:23
【现仓储量为】:24
【现仓储量为】:25
【现仓储量为】:26
【现仓储量为】:12
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:2
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:4
【现仓储量为】:5
【现仓储量为】:6
【现仓储量为】:7
【现仓储量为】:27
【现仓储量为】:8
【现仓储量为】:6
【现仓储量为】:18
【现仓储量为】:2
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:4
【现仓储量为】:5
【现仓储量为】:6
【现仓储量为】:7
【现仓储量为】:8
【现仓储量为】:9
【现仓储量为】:10
【现仓储量为】:16
【现仓储量为】:11
【现仓储量为】:12
【现仓储量为】:13
【现仓储量为】:14
【现仓储量为】:15
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:2
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:15
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:0
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:2
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:4
【现仓储量为】:0
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:5
【现仓储量为】:6
【现仓储量为】:7
【现仓储量为】:8
【现仓储量为】:9
【现仓储量为】:10
【现仓储量为】:11
【现仓储量为】:12
【现仓储量为】:13
【现仓储量为】:14
【现仓储量为】:15
【现仓储量为】:16
【现仓储量为】:17
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:2
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:4
【现仓储量为】:5
【现仓储量为】:6
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:2
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:4
【现仓储量为】:5
【现仓储量为】:6
【现仓储量为】:7
【现仓储量为】:8
【现仓储量为】:9
【现仓储量为】:10
【现仓储量为】:11
【现仓储量为】:12
【现仓储量为】:13
【现仓储量为】:14
【现仓储量为】:15
【现仓储量为】:16
【现仓储量为】:17
【现仓储量为】:18
【现仓储量为】:19
【现仓储量为】:6
【现仓储量为】:7
【现仓储量为】:8
【现仓储量为】:9
【现仓储量为】:10
【现仓储量为】:11
【现仓储量为】:12
【现仓储量为】:13
【现仓储量为】:14
【现仓储量为】:15
【现仓储量为】:16
【现仓储量为】:17
【现仓储量为】:18
【现仓储量为】:19
【现仓储量为】:20
【现仓储量为】:21
【现仓储量为】:22
【现仓储量为】:23
【现仓储量为】:24
【现仓储量为】:25
【现仓储量为】:26
【现仓储量为】:27
【现仓储量为】:28
【现仓储量为】:29
【现仓储量为】:30
【现仓储量为】:31
【现仓储量为】:32
【现仓储量为】:33
【现仓储量为】:34
【现仓储量为】:35
【现仓储量为】:36
【现仓储量为】:37
【现仓储量为】:38
【现仓储量为】:39
【现仓储量为】:40

 

当然,你会发现这时对于public void produce(int num);public void consume(int num);方法业务逻辑上的实现跟前面两个例子不太一样,没关系,这个例子只是为了说明BlockingQueue阻塞队列的使用。

 

有时使用BlockingQueue可能会出现put()System.out.println()输出不匹配的情况,这是由于它们之间没有同步造成的。当缓冲区已满,生产者在put()操作时,put()内部调用了await()方法,放弃了线程的执行,然后消费者线程执行,调用take()方法,take()内部调用了signal()方法,通知生产者线程可以执行,致使在消费者的println()还没运行的情况下生产者的println()先被执行,所以有了输出不匹配的情况。

对于BlockingQueue大家可以放心使用,这可不是它的问题,只是在它和别的对象之间的同步有问题

【原文转载:http://blog.csdn.net/monkey_d_meng/article/details/6251879】

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    Java生产者消费者模型是多线程编程中一种经典的并发控制模型,它源于操作系统中的哲学思想,用于解决资源的共享和异步处理问题。在该模型中,"生产者"线程负责生成数据,而"消费者"线程则负责消费这些数据。两者之间...

    《生产者/消费者循环》后续资源包.zip

    《生产者/消费者循环》后续资源包.zip是一个包含多种级别技术教程、实例代码及前沿技术文档的综合学习资源。这个压缩包旨在帮助学习者深入理解并应用生产者/消费者模型,这一模型是并发编程中的重要概念,广泛应用...

    java模拟生产者和消费者问题

    标题和描述中的知识点聚焦于Java语言中通过模拟“生产者-消费者”问题来演示线程同步和阻塞机制。此问题通常用于理解并发编程中资源的共享与竞争,尤其是在多线程环境中。以下是对该主题的详细解析: ### 生产者-...

    操作系统生产者与消费者java源代码

    五、生产者消费者模型的实现 在示例代码中,我们使用了一个静态变量i来记录缓冲池中的数据项数。在main 方法中,我们使用了一个循环来模拟生产者进程和消费者进程之间的交互。当生产者进程生产数据时,我们将其添加...

    JAVA_生产者-消费者

    在Java编程中,"生产者-消费者"模式是一种经典的多线程问题,它涉及到了并发处理和资源管理。这个模式的主要目标是通过分离生产数据和消费数据的过程,提高系统的效率和灵活性。在这个模式中,"生产者"负责生成数据...

    java多线程(生产者与消费者)

    4. **阻塞队列(BlockingQueue)**:Java并发包(java.util.concurrent)中的阻塞队列是实现生产者消费者模式的理想选择。它们在内部已经处理了线程同步和等待,提供了一种高效且安全的共享数据方式。例如,`put()`...

    java编程的生产者消费者同步锁线程测试

    在Java编程中,多线程是...总之,掌握Java的线程同步锁,理解生产者消费者问题及其解决策略,是成为一名合格的Java开发者所必需的技能。通过实际的编程练习,你可以更好地领会这些概念,并运用到实际的并发应用程序中。

    java生产者消费者问题

    1. **Java并发工具**:Java提供了多种并发工具类来解决这个问题,如`BlockingQueue`接口,它是线程安全的队列,非常适合用来作为生产者消费者问题的共享缓冲区。`BlockingQueue`实现了FIFO(先进先出)规则,且在...

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