一文让你了解java生产消费者模型

老马的编程之旅

发布于 2022-06-22 13:22:26

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发布于 2022-06-22 13:22:26

文章被收录于专栏：深入理解Android

在面试中，多线程问题中，可能会让手写生产消费者模型，所以本篇我们就来讲解一下。

所谓生产者-消费者问题，实际上主要是包含了两类线程，一种是生产者线程用于生产数据，另一种是消费者线程用于消费数据，为了解耦生产者和消费者的关系，通常会采用共享的数据区域

如果共享数据区已满的话，阻塞生产者继续生产数据放置入内；如果共享数据区为空的话，阻塞消费者继续消费数据；

在实现生产者消费者问题时，可以采用三种方式： 1.使用Object的wait/notify的消息通知机制； 2.使用Lock的Condition的await/signal的消息通知机制； 3.使用BlockingQueue实现。

wait/notify

Java 中，可以通过配合调用 Object 对象的 wait() 方法和 notify()方法或 notifyAll() 方法来实现线程间的通信。在线程中调用 wait() 方法，将阻塞当前线程，直至等到其他线程调用了调用 notify() 方法或 notifyAll() 方法进行通知之后，当前线程才能从wait()方法出返回

1.wait 该方法用来将当前线程置入休眠状态，直到接到通知或被中断为止。在调用 wait()之前，线程必须要获得该对象的对象监视器锁，即只能在同步方法或同步块中调用 wait()方法。调用wait()方法之后，当前线程会释放锁。如果调用wait()方法时，线程并未获取到锁的话，则会抛出IllegalMonitorStateException异常，这是以个RuntimeException。如果再次获取到锁的话，当前线程才能从wait()方法处成功返回。

2.notify 该方法也要在同步方法或同步块中调用，即在调用前，线程也必须要获得该对象的对象级别锁，如果调用 notify()时没有持有适当的锁，也会抛出 IllegalMonitorStateException。该方法任意从WAITTING状态的线程中挑选一个进行通知，使得调用wait()方法的线程从等待队列移入到同步队列中，等待有机会再一次获取到锁，从而使得调用wait()方法的线程能够从wait()方法处退出。调用notify后，当前线程不会马上释放该对象锁，要等到程序退出同步块后，当前线程才会释放锁。

3.notifyAll 该方法与 notify ()方法的工作方式相同，重要的一点差异是： notifyAll 使所有原来在该对象上 wait 的线程统统退出WAITTING状态，使得他们全部从等待队列中移入到同步队列中去，等待下一次能够有机会获取到对象监视器锁。

wait/notify存在的一些问题

1.notify通知过早假设有两个线程A，B，如果A先运行进行notify ，B再运行进行wait(),则B会永远陷入等待，A通知太早了

public class EarlyNotify {

    private static String lockObject = "";

    public static void main(String[] args) {
        WaitThread waitThread = new WaitThread(lockObject);
        NotifyThread notifyThread = new NotifyThread(lockObject);
        notifyThread.start();
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        waitThread.start();
    }

    static class WaitThread extends Thread {
        private String lock;

        public WaitThread(String lock) {
            this.lock = lock;
        }

        @Override
        public void run() {
            synchronized (lock) {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  进去代码块");
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  开始wait");
                    lock.wait();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "   结束wait");
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    static class NotifyThread extends Thread {
        private String lock;

        public NotifyThread(String lock) {
            this.lock = lock;
        }

        @Override
        public void run() {
            synchronized (lock) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  进去代码块");
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  开始notify");
                lock.notify();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "   结束开始notify");
            }
        }
    }
}

NotifyThread会先启动，先调用notify方法。然后WaitThread线程才启动，调用wait方法，但是由于通知过了，wait方法就无法再获取到相应的通知，因此WaitThread会一直在wait方法出阻塞，这种现象就是通知过早的现象。针对这种现象，解决方法，一般是添加一个状态标志，让waitThread调用wait方法前先判断状态是否已经改变了没，如果通知早已发出的话，WaitThread就不再去wait。

public class EarlyNotify {

    private static String lockObject = "";
    private static boolean isWait = true;

    public static void main(String[] args) {
        WaitThread waitThread = new WaitThread(lockObject);
        NotifyThread notifyThread = new NotifyThread(lockObject);
        notifyThread.start();
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        waitThread.start();
    }

    static class WaitThread extends Thread {
        private String lock;

        public WaitThread(String lock) {
            this.lock = lock;
        }

        @Override
        public void run() {
            synchronized (lock) {
                try {
                    while (isWait) {
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  进去代码块");
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  开始wait");
                        lock.wait();
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "   结束wait");
                    }
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    static class NotifyThread extends Thread {
        private String lock;

        public NotifyThread(String lock) {
            this.lock = lock;
        }

        @Override
        public void run() {
            synchronized (lock) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  进去代码块");
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "  开始notify");
                lock.notifyAll();
                isWait = false;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "   结束开始notify");
            }
        }
    }
}

总结：在使用线程的等待/通知机制时，一般都要配合一个 boolean 变量值（或者其他能够判断真假的条件），在 notify 之前改变该 boolean 变量的值，让 wait 返回后能够退出 while 循环（一般都要在 wait 方法外围加一层 while 循环，以防止早期通知），或在通知被遗漏后，不会被阻塞在 wait 方法处。这样便保证了程序的正确性。

“假死”状态这种情况就是如果存在多个生产者和多个消费者，比如我们有个生产者，A,B,C，他们共同向List添加数据，当List满的话，就进行wait,假设当其中一个生产者A获取锁时候，其他B,C都处于wait状态，在wait/notify模型中，notify是随机唤醒一个等待线程的，A调用notify可能还是唤醒的生产者线程，就会造成所有的生产者线程都处于等待状态。

  static class Product implements Runnable {
        List<Integer> mList;
        private final int mMaxLength;

        public Product(List list, int maxLength) {
            mList = list;
            mMaxLength = maxLength;
        }

        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                synchronized (mList) {
                    while (mList.size() == mMaxLength) {
                        try {
                            Log.d("Product", Thread.currentThread() + "已经达到最大生产数量 ");
                            Log.d("Product", Thread.currentThread() + " wait");
                            wait();
                            Log.d("Product", Thread.currentThread() + " 退出 wait");
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                    Random random = new Random();
                    int i = random.nextInt();
                    Log.d("Product", Thread.currentThread() + "添加对象：" + i);
                    mList.add(i);
                    mList.notify();
                }
            }
        }
    }

如上面的代码，假设生产者A将mList添加满，然后调用notify(),有可能唤醒了等待的生产者B，这样B会进入mList.size() == mMaxLength判断，会进行wait,跳不出循环，导致所有的生产者线程都进入了等待。

总结

在Object提供的消息通知机制应该遵循如下这些条件： 1.永远在while循环中对条件进行判断而不是if语句中进行wait条件的判断； 2.使用NotifyAll而不是使用notify。

wait/notifyAll实现生产者-消费者

利用wait/notifyAll实现生产者和消费者代码如下：

 LinkedList<Integer> linkedList = new LinkedList();
        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(15);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            executorService.submit(new Product(linkedList, 15));
        }

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            executorService.submit(new Consumer(linkedList));
        }

 static class Consumer implements Runnable {
        List<Integer> mList;

        public Consumer(List<Integer> list) {
            mList = list;
        }

        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                synchronized (mList) {
                    while (mList.size() == 0) {

                        try {
                            Log.d("Consumer", Thread.currentThread() + "已经消费完毕 ");
                            Log.d("Consumer", Thread.currentThread() + " wait");
                            wait();
                            Log.d("Consumer", Thread.currentThread() + " 退出 wait");
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                        Integer i = mList.remove(0);
                        Log.d("Product", Thread.currentThread() + "消费对象：" + i);
                    }
                }
            }
        }
    }

static class Product implements Runnable {
        List<Integer> mList;
        private final int mMaxLength;

        public Product(List list, int maxLength) {
            mList = list;
            mMaxLength = maxLength;
        }

        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                synchronized (mList) {
                    while (mList.size() == mMaxLength) {
                        try {
                            Log.d("Product", Thread.currentThread() + "已经达到最大生产数量 ");
                            Log.d("Product", Thread.currentThread() + " wait");
                            wait();
                            Log.d("Product", Thread.currentThread() + " 退出 wait");
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                    Random random = new Random();
                    int i = random.nextInt();
                    Log.d("Product", Thread.currentThread() + "添加对象：" + i);
                    mList.add(i);
                    mList.notify();
                }
            }
        }
    }

使用Lock中Condition的await/signalAll实现生产者-消费者

参照Object的wait和notify/notifyAll方法，Condition也提供了同样的方法： 1.相对于wait方法 void await() throws InterruptedException：当前线程进入等待状态，如果其他线程调用condition的signal或者signalAll方法并且当前线程获取Lock从await方法返回，如果在等待状态中被中断会抛出被中断异常；

2.相对于notify方法 void signal()：唤醒一个等待在condition上的线程，将该线程从等待队列中转移到同步队列中，如果在同步队列中能够竞争到Lock则可以从等待方法中返回。

void signalAll()：与1的区别在于能够唤醒所有等待在condition上的线程

使用await/signalAll的demo代码

public class ProductorConsumer {

private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private static Condition full = lock.newCondition();
private static Condition empty = lock.newCondition();

public static void main(String[] args) {
    LinkedList linkedList = new LinkedList();
    ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(15);
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        service.submit(new Productor(linkedList, 8, lock));
    }
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        service.submit(new Consumer(linkedList, lock));
    }

}

static class Productor implements Runnable {

    private List<Integer> list;
    private int maxLength;
    private Lock lock;

    public Productor(List list, int maxLength, Lock lock) {
        this.list = list;
        this.maxLength = maxLength;
        this.lock = lock;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            lock.lock();
            try {
                while (list.size() == maxLength) {
                    System.out.println("生产者" + Thread.currentThread().getName() + "  list以达到最大容量，进行wait");
                    full.await();
                    System.out.println("生产者" + Thread.currentThread().getName() + "  退出wait");
                }
                Random random = new Random();
                int i = random.nextInt();
                System.out.println("生产者" + Thread.currentThread().getName() + " 生产数据" + i);
                list.add(i);
                empty.signalAll();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}


static class Consumer implements Runnable {

    private List<Integer> list;
    private Lock lock;

    public Consumer(List list, Lock lock) {
        this.list = list;
        this.lock = lock;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            lock.lock();
            try {
                while (list.isEmpty()) {
                    System.out.println("消费者" + Thread.currentThread().getName() + "  list为空，进行wait");
                    empty.await();
                    System.out.println("消费者" + Thread.currentThread().getName() + "  退出wait");
                }
                Integer element = list.remove(0);
                System.out.println("消费者" + Thread.currentThread().getName() + "  消费数据：" + element);
                full.signalAll();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

}

使用BlockingQueue实现生产者-消费者

由于BlockingQueue内部实现就附加了两个阻塞操作。即当队列已满时，阻塞向队列中插入数据的线程，直至队列中未满；当队列为空时，阻塞从队列中获取数据的线程，直至队列非空时为止。

BlockingQueue实现生产者-消费者为题，阻塞队列完全可以充当共享数据区域，就可以很好的完成生产者和消费者线程之间的协作。

BlockingQueue实现生产者-消费者代码

public class ProductorConsumer {

    private static LinkedBlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<>();

    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(15);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            service.submit(new Productor(queue));
        }
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            service.submit(new Consumer(queue));
        }
    }


    static class Productor implements Runnable {

        private BlockingQueue queue;

        public Productor(BlockingQueue queue) {
            this.queue = queue;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                while (true) {
                    Random random = new Random();
                    int i = random.nextInt();
                    System.out.println("生产者" + Thread.currentThread().getName() + "生产数据" + i);
                    queue.put(i);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    static class Consumer implements Runnable {
        private BlockingQueue queue;

        public Consumer(BlockingQueue queue) {
            this.queue = queue;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                while (true) {
                    Integer element = (Integer) queue.take();
                    System.out.println("消费者" + Thread.currentThread().getName() + "正在消费数据" + element);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

}

使用BlockingQueue来实现生产者-消费者代码可以看出来是最整洁的。

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原始发表：2019-07-10，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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