Java 多线程基础生产者与消费者

Posted 2020-12-12 凌倾-学无止境

 Java 多线程基础（十二）生产者与消费者

一、生产者与消费者模型

生产者与消费者问题是个非常典型的多线程问题，涉及到的对象包括“生产者”、“消费者”、“仓库”和“产品”。他们之间的关系如下：

①、生产者仅仅在仓储未满时候生产，仓满则停止生产。
②、消费者仅仅在仓储有产品时候才能消费，仓空则等待。
③、当消费者发现仓储没产品可消费时候会通知生产者生产。
④、生产者在生产出可消费产品时候，应该通知等待的消费者去消费。

生产者消费者模型具体来讲，就是在一个系统中，存在生产者和消费者两种角色，他们通过内存缓冲区进行通信，生产者生产消费者需要的资料，消费者把资料做成产品。生产消费者模式如下图。

在日益发展的服务类型中，譬如注册用户这种服务，它可能解耦成好几种独立的服务（账号验证，邮箱验证码，手机短信码等）。它们作为消费者，等待用户输入数据，在前台数据提交之后会经过分解并发送到各个服务所在的url，分发的那个角色就相当于生产者。消费者在获取数据时候有可能一次不能处理完，那么它们各自有一个请求队列，那就是内存缓冲区了。做这项工作的框架叫做消息队列。

二、生产者与消费者实现

下面通过生产包子的例子及wait()/notify()方式实现该模型(后面学习线程池相关内容之后，再通过其它方式实现生产/者消费者模型)。

面包类：

public class Bread {
    private int capacity;    // 面包的容量
    private int size;        // 面包的实际数量
    public Bread(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
        this.size = 0;
    }
    
    // 生产面包
    public synchronized void produce(int val) {
        try {
             // left 表示“想要生产的数量”(有可能生产量太多，需多此生产)
            int left = val;
            while (left > 0) {
                // 库存已满时，等待“消费者”消费产品。
                while (size >= capacity)
                    wait();
                // 获取“实际生产的数量”(即库存中新增的数量)
                // 如果“库存”+“想要生产的数量”>“总的容量”，则“实际增量”=“总的容量”-“当前容量”。(此时填满仓库)
                // 否则“实际增量”=“想要生产的数量”
                int inc = (size+left)>capacity ? (capacity-size) : left;
                size += inc;
                left -= inc;
                System.out.printf("%s produce(%3d) --> left=%3d, inc=%3d, size=%3d\\n",
                        Thread.currentThread().getName(), val, left, inc, size);
                // 通知“消费者”可以消费了。
                notifyAll();
            }
        }catch(InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    // 消费面包
    public synchronized void consume(int val) {
        try {
             // left 表示“客户要消费数量”(有可能消费量太大，库存不够，需多此消费)
            int left = val;
            while (left > 0) {
                // 库存为0时，等待“生产者”生产产品。
                while (size <= 0)
                    wait();
                // 获取“实际消费的数量”(即库存中实际减少的数量)
                // 如果“库存”<“客户要消费的数量”，则“实际消费量”=“库存”；
                // 否则，“实际消费量”=“客户要消费的数量”。
                int dec = (size<left) ? size : left;
                size -= dec;
                left -= dec;
                System.out.printf("%s consume(%3d) <-- left=%3d, dec=%3d, size=%3d\\n",
                        Thread.currentThread().getName(), val, left, dec, size);
                notifyAll();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

生产者类

public class Producer{
    Bread bread;
    public Producer(Bread bread) {
        this.bread = bread;
    }
    public void produce(final int val) {
        new Thread(() -> {
            bread.produce(val);
        }).start();;
    }
}

消费者类

public class Customer {
    private Bread bread;
    public Customer(Bread bread) {
        this.bread = bread;
    }
    public void consume(final int val) {
        new Thread(() -> {
            bread.consume(val);
        }).start();;
    }
}

测试类代码

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        Bread bread = new Bread(100);
        Producer producer = new Producer(bread);
        Cunstomer customer = new Customer(bread);
        
        producer.produce(60);
        producer.produce(120);
        consumer.consume(90);
        consumer.consume(150);
        producer.produce(110);
    }
}

// 运行结果
Thread-1 produce( 60) --> left=  0, inc= 60, size= 60
Thread-5 produce(110) --> left= 70, inc= 40, size=100
Thread-4 consume(150) <-- left= 50, dec=100, size=  0
Thread-2 produce(120) --> left= 20, inc=100, size=100
Thread-3 consume( 90) <-- left=  0, dec= 90, size= 10
Thread-4 consume(150) <-- left= 40, dec= 10, size=  0
Thread-5 produce(110) --> left=  0, inc= 70, size= 70
Thread-4 consume(150) <-- left=  0, dec= 40, size= 30
Thread-2 produce(120) --> left=  0, inc= 20, size= 50

说明：

①、Producer是“生产者”类，它与“面包(bread)”关联。当调用“生产者”的produce()方法时，它会新建一个线程并向“面包类”中生产产品。
②、Customer是“消费者”类，它与“面包(bread)”关联。当调用“消费者”的consume()方法时，它会新建一个线程并消费“面包类”中的产品。
③、Bread是面包类，记录“面包的产量(capacity)”以及面包当前实际数目(size)”。
        面包类的生产方法produce()和消费方法consume()方法都是synchronized方法，进入synchronized方法体，意味着这个线程获取到了该“面包”对象的同步锁。这也就是说，同一时间，生产者和消费者线程只能有一个能运行。通过同步锁，实现了对“残酷”的互斥访问。
       对于生产方法 produce() 而言：当面包量满时，生产者线程等待，需要等待消费者消费产品之后，生产线程才能生产；生产者线程生产完面包之后，会通过 notifyAll() 唤醒同步锁上的所有线程，包括“消费者线程”，即我们所说的“通知消费者进行消费”。
      对于消费方法consume()而言：当仓库为空时，消费者线程等待，需要等待生产者生产产品之后，消费者线程才能消费；消费者线程消费完产品之后，会通过 notifyAll() 唤醒同步锁上的所有线程，包括“生产者线程”，即我们所说的“通知生产者进行生产”。