Java中生产者消费者问题总结

Z时代
2024-01-10
分类：综合

生产者-消费者算是并发编程中常见的问题。依靠缓冲区我们可以实现生产者与消费者之间的解耦。生产者只管往缓冲区里面放东西，消费者只管往缓冲区里面拿东西。这样我们避免生产者想要交付数据给消费者，但消费者此时还无法接受数据这样的情况发生。

wait notify

这个问题其实就是线程间的通讯，所以要注意的是不能同时读写。生产者在缓冲区满的时候不生产，等待；消费者在缓冲区为空的时候不消费，等待。比较经典的做法是wait和notify。

生产者线程执行15次set操作


public class Producer implements Runnable{
 private Channel channel;
 public Producer(Channel channel) {
  this.channel = channel;
 }
 @Override
 public void run() {
  for(int i=0;i<15;i++){
   channel.set(Thread.currentThread().getName()+" "+i);
  }
 }
}

消费者线程执行10次get操作


public class Consumer implements Runnable {
 private Channel channel;
 public Consumer(Channel channel) {
  this.channel = channel;
 }
 @Override
 public void run() {
  for(int i=0;i<10;i++){
   System.out.println("Consumer "+Thread.currentThread().getName()+" get "+channel.get());
  }
 }
}

现在定义Channel类,并创建两个生产者线程和三个消费者线程


public class Channel {
 private List<String> buffer=new ArrayList<>();
 private final int MAX_SIZE=10;
 public synchronized String get(){
  while (buffer.size()==0){//不要用if，醒来了也要再次判断
   try {
    wait();
   } catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
   }
  }
  String str=buffer.remove(0);
  notifyAll();
  return str;
 }
 public synchronized void set(String str){
  while (buffer.size()==MAX_SIZE){
   try {
    wait();
   } catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
   }
  }
  buffer.add(str);
  notifyAll();
 }
 public static void main(String[] args) {
  Channel channel=new Channel();
  Producer producer=new Producer(channel);
  Consumer consumer=new Consumer(channel);
  for(int i=0;i<2;i++){
   new Thread(producer).start();
  }
  for (int i=0;i<3;i++){
   new Thread(consumer).start();
  }
 }
}

使用notifyAll而不是notify的原因是，notify有可能出现多次唤醒同类的情况，造成“假死”。我们可以使用Condition来实现更精确的唤醒。

Condition

将上面代码中的Channel类修改一下即可


public class Channel {
 private List<String> buffer=new ArrayList<>();
 private final int MAX_SIZE=10;
 private Lock lock=new ReentrantLock();
 private Condition producer=lock.newCondition();
 private Condition consumer=lock.newCondition();
 public String get(){
  String str=null;
  try {
   lock.lock();
   while (buffer.size()==0){
    consumer.await();
   }
   str=buffer.remove(0);
   producer.signalAll();
  }catch (InterruptedException e) {
   e.printStackTrace();
  }finally {
   lock.unlock();
  }
  return str;
 }
 public void set(String str){
  try {
   lock.lock();
   while (buffer.size()==MAX_SIZE){
    producer.await(); 
   }
   buffer.add(str);
   consumer.signalAll();
  }catch (InterruptedException e) {
   e.printStackTrace();
  }finally {
   lock.unlock();
  }
 }
}

双缓冲与Exchanger

当同步的花销非常大时，我们可以采用双缓冲区的办法。双缓冲的一个好处就在于：因为生产者和消费者各自拥有一个缓冲区，所以他们不会同时对同一个缓冲区进行操作，那么我们就不需要为读写操作加锁，用空间换了时间。在Java中可以通过Exchanger来交换两个线程之间的数据结构。


public class Producer implements Runnable{
 private List<String> buffer;
 private Exchanger<List<String>> exchanger;
 public Producer(List<String> buffer, Exchanger<List<String>> exchanger){
  this.buffer=buffer;
  this.exchanger=exchanger;
 }
 @Override
 public void run() {
  for(int i=0;i<10;i++){
   for (int j=0;j<10;j++)
   buffer.add("Thrad "+Thread.currentThread().getName()+" : "+i+" "+j);
   try {
    buffer=exchanger.exchange(buffer);
   } catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
   }
  }
 }
}
public class Consumer implements Runnable {
 private Exchanger<List<String>> exchanger;
 private List<String> buffer;
 public Consumer(List<String> buffer,Exchanger<List<String>> exchanger) {
  this.exchanger = exchanger;
  this.buffer = buffer;
 }
 @Override
 public void run() {
  for(int i=0;i<10;i++){
   try {
    buffer=exchanger.exchange(buffer);
   } catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();
   }
   for(int j=0;j<10;j++){
    String message=buffer.get(0);
    System.out.println(message);
    buffer.remove(0);
   }
  }
 }
}
public class Main {
 public static void main(String[] args) {
  List<String> buffer1=new ArrayList<>();
  List<String> buffer2=new ArrayList<>();
  Exchanger<List<String>> exchanger=new Exchanger<>();
  Producer producer=new Producer(buffer1,exchanger);
  Consumer consumer=new Consumer(buffer2,exchanger);
  Thread t1=new Thread(producer);
  Thread t2=new Thread(consumer);
  t1.start();
  t2.start();
 }
}

BlockingQueue

我们可以使用更为方便安全的阻塞式集合来实现生产消费者模型。

这类集合具有的特点是：当集合已满或者是为空的时候，被调用的方法不会立即执行，该方法将被阻塞，直到可以成功执行为止。


public class Channel {
 private BlockingQueue<String> blockingQueue=new ArrayBlockingQueue<>(10);
 public String get(){
  String str=null;
  try {
   str=blockingQueue.take();
  } catch (InterruptedException e) {
   e.printStackTrace();
  }
  return str;
 }
 public void set(String str){
  try {
   blockingQueue.put(str);
  } catch (InterruptedException e) {
   e.printStackTrace();
  }
 }
}