Java线程(四)：线程协作-生产者/消费者问题

亦凉 2022-03-16 00:48 107阅读 0赞

上一篇讲述了线程的互斥(同步)，但是在很多情况下，仅仅同步是不够的，还需要线程与线程协作(通信)，生产者/消费者问题是一个经典的线程同步以及通信的案例。该问题描述了两个共享固定大小缓冲区的线程，即所谓的“生产者”和“消费者”在实际运行时会发生的问题。生产者的主要作用是生成一定量的数据放到缓冲区中，然后重复此过程。与此同时，消费者也在缓冲区消耗这些数据。该问题的关键就是要保证生产者不会在缓冲区满时加入数据，消费者也不会在缓冲区中空时消耗数据。要解决该问题，就必须让生产者在缓冲区满时休眠（要么干脆就放弃数据），等到下次消费者消耗缓冲区中的数据的时候，生产者才能被唤醒，开始往缓冲区添加数据。同样，也可以让消费者在缓冲区空时进入休眠，等到生产者往缓冲区添加数据之后，再唤醒消费者，通常采用线程间通信的方法解决该问题。如果解决方法不够完善，则容易出现死锁的情况。出现死锁时，两个线程都会陷入休眠，等待对方唤醒自己。该问题也能被推广到多个生产者和消费者的情形。本文讲述了JDK5之前传统线程的通信方式，更高级的通信方式可参见Java线程(九)：Condition-线程通信更高效的方式和Java线程(篇外篇)：阻塞队列BlockingQueue。

假设有这样一种情况，有一个盘子，盘子里只能放一个鸡蛋，A线程专门往盘子里放鸡蛋，如果盘子里有鸡蛋，则一直等到盘子里没鸡蛋，B线程专门从盘子里取鸡蛋，如果盘子里没鸡蛋，则一直等到盘子里有鸡蛋。这里盘子是一个互斥区，每次放鸡蛋是互斥的，每次取鸡蛋也是互斥的，A线程放鸡蛋，如果这时B线程要取鸡蛋，由于A没有释放锁，B线程处于等待状态，进入阻塞队列，放鸡蛋之后，要通知B线程取鸡蛋，B线程进入就绪队列，反过来，B线程取鸡蛋，如果A线程要放鸡蛋，由于B线程没有释放锁，A线程处于等待状态，进入阻塞队列，取鸡蛋之后，要通知A线程放鸡蛋，A线程进入就绪队列。我们希望当盘子里有鸡蛋时，A线程阻塞，B线程就绪，盘子里没鸡蛋时，A线程就绪，B线程阻塞，代码如下：  
import java.util.ArrayList;  
import java.util.List;  
/\*\* 定义一个盘子类，可以放鸡蛋和取鸡蛋 \*/  
public class Plate \{  
    /\*\* 装鸡蛋的盘子 \*/  
    List<Object> eggs = new ArrayList<Object>();  
    /\*\* 取鸡蛋 \*/  
    public synchronized Object getEgg() \{  
        while (eggs.size() == 0) \{  
            try \{  
                wait();  
            \} catch (InterruptedException e) \{  
                e.printStackTrace();  
            \}  
        \}  
        Object egg = eggs.get(0);  
        eggs.clear();// 清空盘子  
        notify();// 唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列  
        System.out.println("拿到鸡蛋");  
        return egg;  
    \}  
    /\*\* 放鸡蛋 \*/  
    public synchronized void putEgg(Object egg) \{  
        while (eggs.size() > 0) \{  
            try \{  
                wait();  
            \} catch (InterruptedException e) \{  
                e.printStackTrace();  
            \}  
        \}  
        eggs.add(egg);// 往盘子里放鸡蛋  
        notify();// 唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列  
        System.out.println("放入鸡蛋");  
    \}  
    static class AddThread implements Runnable  \{  
        private Plate plate;  
        private Object egg = new Object();  
        public AddThread(Plate plate) \{  
            this.plate = plate;  
        \}  
        public void run() \{  
            plate.putEgg(egg);  
        \}  
    \}  
    static class GetThread implements Runnable  \{  
        private Plate plate;  
        public GetThread(Plate plate) \{  
            this.plate = plate;  
        \}  
        public void run() \{  
            plate.getEgg();  
        \}  
    \}  
    public static void main(String args\[\]) \{  
        Plate plate = new Plate();  
        for(int i = 0; i < 10; i++) \{  
            new Thread(new AddThread(plate)).start();  
            new Thread(new GetThread(plate)).start();  
        \}  
    \}  
\}  
 输出结果：

放入鸡蛋  
拿到鸡蛋  
放入鸡蛋  
拿到鸡蛋  
放入鸡蛋  
拿到鸡蛋  
放入鸡蛋  
拿到鸡蛋  
放入鸡蛋  
拿到鸡蛋  
放入鸡蛋  
拿到鸡蛋  
放入鸡蛋  
拿到鸡蛋  
放入鸡蛋  
拿到鸡蛋  
放入鸡蛋  
拿到鸡蛋  
放入鸡蛋  
拿到鸡蛋

程序开始，A线程判断盘子是否为空，放入一个鸡蛋，并且唤醒在阻塞队列的一个线程，阻塞队列为空；假设CPU又调度了一个A线程，盘子非空，执行等待，这个A线程进入阻塞队列；然后一个B线程执行，盘子非空，取走鸡蛋，并唤醒阻塞队列的A线程，A线程进入就绪队列，此时就绪队列就一个A线程，马上执行，放入鸡蛋；如果再来A线程重复第一步，在来B线程重复第二步，整个过程就是生产者(A线程)生产鸡蛋，消费者(B线程)消费鸡蛋。  
        前段时间看了张孝祥老师线程的视频，讲述了一个其学员的面试题，也是线程通信的，在此也分享一下。

题目：子线程循环10次，主线程循环100次，如此循环100次，好像是空中网的笔试题。

public class ThreadTest2 \{  
    public static void main(String\[\] args) \{  
        final Business business = new Business();  
        new Thread(new Runnable() \{  
            @Override  
            public void run() \{  
                threadExecute(business, "sub");  
            \}  
        \}).start();  
        threadExecute(business, "main");  
    \}      
    public static void threadExecute(Business business, String threadType) \{  
        for(int i = 0; i < 100; i++) \{  
            try \{  
                if("main".equals(threadType)) \{  
                    business.main(i);  
                \} else \{  
                    business.sub(i);  
                \}  
            \} catch (InterruptedException e) \{  
                e.printStackTrace();  
            \}  
        \}  
    \}  
\}  
class Business \{  
    private boolean bool = true;  
    public synchronized void main(int loop) throws InterruptedException \{  
        while(bool) \{  
            this.wait();  
        \}  
        for(int i = 0; i < 100; i++) \{  
            System.out.println("main thread seq of " + i + ", loop of " + loop);  
        \}  
        bool = true;  
        this.notify();  
    \}      
    public synchronized void sub(int loop) throws InterruptedException \{  
        while(!bool) \{  
            this.wait();  
        \}  
        for(int i = 0; i < 10; i++) \{  
            System.out.println("sub thread seq of " + i + ", loop of " + loop);  
        \}  
        bool = false;  
        this.notify();  
    \}  
\}

大家注意到没有，在调用wait方法时，都是用while判断条件的，而不是if，在wait方法说明中，也推荐使用while，因为在某些特定的情况下，线程有可能被假唤醒，使用while会循环检测更稳妥。wait和notify方法必须工作于synchronized内部，且这两个方法只能由锁对象来调用。

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