生产者消费者问题是研究多线程时绕不开的问题，描述的是有一块生产者和消费者共享的有界缓冲区，生产者往缓冲区放入产品，消费者从缓冲区取走产品，这个过程可以无休止的执行，不能因缓冲区满生产者放不进产品而终止，也不能因缓冲区空消费者无产品可取而终止。
解决生产者消费者问题的方法有两种，一种是采用某种机制保持生产者和消费者之间的同步，一种是在生产者和消费者之间建立一个管道。前一种有较高的效率并且可控制性较好，比较常用，后一种由于管道缓冲区不易控制及被传输数据对象不易封装等原因，比较少用。
同步问题的核心在于，CPU是按时间片轮询的方式执行程序，我们无法知道某一个线程是否被执行、是否被抢占、是否结束等，因此生产者完全可能当缓冲区已满的时候还在放入产品，消费者也完全可能当缓冲区为空时还在取出产品。现在同步问题的解决方法一般是采用信号或者加锁机制，即生产者线程当缓冲区已满时放弃自己的执行权，进入等待状态，并通知消费者线程执行。消费者线程当缓冲区已空时放弃自己的执行权，进入等待状态，并通知生产者线程执行。这样一来就保持了线程的同步，并避免了线程间互相等待而进入死锁状态。
JAVA语言提供了独立于平台的线程机制，保持了write once, run anywhere的特色。同时也提供了对同步机制的良好支持。
JAVA中一共有四种方法支持同步，其中三个是同步方法，一个是管道方法。
①方法wait()/notify()
②方法await()/signal()
③阻塞队列方法BlockingQueue
④管道方法PipedInputStream/PipedOutputStream
一、方法wait()/notify()
wait()和notify()是根类Object的两个方法，也就意味着所有的AVA类都具有这个两个方法，可以认为所有的对象默认都具有一个锁，虽然看不到也无法直接操作，但它是存在的。
wait()方法表示：当缓冲区已满或空时，生产者或消费者线程停止自己的执行，放弃锁，使自己处于等待状态，让另一个线程开始执行。
notify()方法表示：当生产者或消费者对缓冲区放入或取出一个产品时，向另一个线程发出可执行通知，同时放弃锁，使自己处于等待状态。
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提供了新的更加健壮的线程处理机制，包括了同步、锁定、线程池等等，可以实现更小粒度上的控制。await()和signal()就是其中用来同步的两种方法，功能基本上和wait()/notify()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。
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、阻塞队列方法BlockingQueue
BlockingQueue也是JDK5.0的一部分，是一个已经在内部实现了同步的队列，实现方式采用的是第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()方法类似于上面的生产者线程，容量最大时自动阻塞。
take()方法类似于上面的消费者线程，容量为0时自动阻塞。
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!"); } } } } } |
运行一下代码发现问题：
warning: it's full!
Producer: java.lang.object@4526e2a
可能这是因为put()和System.out.println()之间没有同步造成的，但改写成如下代码仍然没有改观
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!"); } } } } |
真正的原因是因为当缓冲区已满，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，所以有了上面的输出。run()中的synchronized其实并没有起什么作用。对于BlockingQueue大家可以放心使用，这可不是它的问题，只是在和别的对象之间的同步有问题。对于这种多重嵌套同步的问题以后再谈。
四、管道方法PipedInputStream/PipedOutputStream
这个类位于java.io包中，是解决同步问题的最简单的办法，一个线程将数据写入管道，另一个线程从管道读取数据，这样便构成了一种生产者/消费者的缓冲区编程模式。在下面的代码没有使用Object对象，而是简单的读写字节值，这是因为PipedInputStream/PipedOutputStream不允许传输对象，这是JAVA本身的一个bug,具体的大家可以看sun的解释：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); } } } } } |