Java并发编程--生产者与消费者模式介绍

Posted 2021-01-15 玉树临枫

一、前言

　　这种模式在生活是最常见的，那么它的场景是什么样的呢？ 下面是我假象的，假设有一个仓库，仓库有一个生产者和一个消费者，消费者过来消费的时候会检测仓库中是否有库存，如果没有了则等待生产，如果有就先消费直至消费完成；而生产者每天的工作就是先检测仓库是否有库存，如果没有就开始生产，满仓了就停止生产等待消费，直至工作结束。下图是根据假象画的流程图：

　　那么在程序中怎么才能达到这样的效果呢？下面介绍三种方式实现。

二、使用notify() 和 wait()实现

　　相信大家这两个方法都不陌生，它是Object类中的两个方法，具体请看源码中的解释。提醒一点就是使用notify()和wait()方法时必须拥有对象锁。

　　根据上面假象我这定义一下明确场景：仓库库存有个最大值，如果仓库库存已经达到最大值那么就停止生产，小于就需要生产； 如果库存等于0则需要等待生产停止消费。另外生产者有个生产目标，当它生产了目标数后就结束生产；消费者也是，当消费一定的数据后就结束消费，否则等待消费。

　　见下面代码：

package com.yuanfy.jmm.threads;

import com.yuanfy.util.SleepUtils;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class Factory {
    // 当前库存大小
    private int size;
    // 库存容量（最大库存值）
    private int capacity;

    public Factory(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
    }

    public synchronized void produce(int num) {
        try {
            System.out.println("+++++生产者【" + Thread.currentThread().getName()
                    + "】, 他的任务是生产" + num + "件产品.");
            // 当生产完成就停止
            while (num > 0) {
                // 如果当前库存大小大于或等于库存容量值了，则停止生产等待消费。
                if (size >= capacity) {
                    System.out.println("+++++" + Thread.currentThread().getName() +
                            "检测库存已满，停止生产等待消费...");
                    // 等待消费
                    wait();
                    System.out.println("+++++" + Thread.currentThread().getName() + "开始生产...");
                }
                // 否则继续生产
                int inc = (num + size) > capacity ? (capacity - size) : num;
                num -= inc;
                size += inc;
                SleepUtils.second(1);
                System.out.println("+++++" + Thread.currentThread().getName() + " 生产了" + inc + "件，当前库存有" + size + "件.");
                // 生产后唤醒消费者
                notify();
            }
            System.out.println("+++++生产者【" + Thread.currentThread().getName()
                    + "】 生产结束.");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public synchronized void consume(int num) {
        try {
            System.out.println("-----消费者【" + Thread.currentThread().getName()
                    + "】, 他需要消费" + num + "件产品.");
            // 当消费完成则停止
            while (num > 0) {
                // 如果当前库存大小小于等于0，则停止消费等待生产。
                if (size <= 0) {
                    System.out.println("-----" + Thread.currentThread().getName() + " 检测库存已空，停止消费等待生产...");
                    // 等待生产
                    wait();
                    System.out.println("-----" + Thread.currentThread().getName() + " 开始消费...");
                }
                // 否则继续消费
                int dec = (size - num) > 0 ? num : size;
                num -= dec;
                size -= dec;
                SleepUtils.second(1);
                System.out.println("-----" + Thread.currentThread().getName() + " 消费了" + dec + "件，当前有" + size + "件.");
                // 消费后唤醒生产者继续生产
                notify();
            }
            System.out.println("-----消费者【" + Thread.currentThread().getName()
                    + "】 消费结束.");
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

　　上面是工厂（仓库）类，主要包含两个任务一个是生产一个是消费，接下来创建两个线程去调用它，如下：

package com.yuanfy.jmm.threads;

/**
 * 生产线程
 */
class Produce {
    private Factory factory;

    public Produce(Factory factory) {
        this.factory = factory;
    }

    public void produce(String name, final int num) {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                factory.produce(num);
            }
        }, name).start();
    }
}
/**
 * 消费线程
 */
class Consume {
    private Factory factory;

    public Consume(Factory factory) {
        this.factory = factory;
    }

    public void consume(String name, final int num) {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                factory.consume(num);
            }
        }, name).start();
    }
}

public class ProduceConsumeDemo {

    public static void main(String[] args) {
        Factory f = new Factory(500);

        Consume consume = new Consume(f);
        consume.consume("消费线程",600);

        Produce produce = new Produce(f);
        produce.produce("生产线程",800);
    }
}

　　注意上方，消费线程和生产线程都是拥有同一个工厂对象，然后进行生产和消费模式。那么我们直接运行，结果如下：

　　

 三、使用锁中的Condition对象进行控制

　　这种方式估计用的比较少，因为使用Condition必须先使用锁Lock。这里我只介绍怎么用Condition对象进行控制实现生产者与消费者模式的实现。

　　其实它跟上面那种方法有点类似，Condition对象中await()方法表示等待，signal()方法表示唤醒（看了AQS源码的应该都知道有这个对象且了解过这两个方法）。下面看下具体怎么实现：

public class Factory {
    // 当前大小
    private int size;

    // 总容量
    private int capacity;

    private Lock lock;

    // 已满的条件
    private Condition fullCondition;

    // 已空的条件
    private Condition emptyCondition;

    public Factory(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
        lock = new ReentrantLock();
        fullCondition = lock.newCondition();
        emptyCondition = lock.newCondition();
    }

    public void produce(int no) {
        lock.lock();
        try {
            while (no > 0) {
                while (size >= capacity) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 报告仓库已满，等待快递员取件...");
                    fullCondition.await();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 报告开始进货...");
                }
                int inc = (no + size) > capacity ? (capacity - size) : no;
                no -= inc;
                size += inc;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() +
                        " 报告进货了： " + inc + "件, 当前库存数： " + size);
                emptyCondition.signal();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void consume(int no) {
        lock.lock();
        try {
            while (no > 0) {
                while (size <= 0) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 报告仓库已空，等待仓库管理员进货");
                    emptyCondition.await();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 报告开始取件...");
                }
                int dec = (size - no) > 0 ? no : size;
                no -= dec;
                size -= dec;
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() +
                        " 报告取件： " + dec + ", 当前库存数： " + size);
                fullCondition.signal();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

　　看了上面工厂类的代码后是不是跟使用Object中wait()和notify()方法类似呢。 主要区别就是拥有对象的方式不一样，这里使用的lock进行且需要手动释放，而第一种是需要Synchronized进行控制。

四、使用阻塞队列进行实现

　　这个就很简单了，它已经封装好等待和唤醒的操作，所以不进行案例分享了。其中涉及到两个重要方法put() 和 take