Java多线程14：生产者/消费者模型

Posted 2020-07-25 IT·达人

什么是生产者/消费者模型

一种重要的模型，基于等待/通知机制。生产者/消费者模型描述的是有一块缓冲区作为仓库，生产者可将产品放入仓库，消费者可以从仓库中取出产品，生产者/消费者模型关注的是以下几个点：

1、生产者生产的时候消费者不能消费

2、消费者消费的时候生产者不能生产

3、缓冲区空时消费者不能消费

4、缓冲区满时生产者不能生产

生产者/模型作为一种重要的模型，它的优点在于：

1、解耦。因为多了一个缓冲区，所以生产者和消费者并不直接相互调用，这一点很容易想到，这样生产者和消费者的代码发生变化，都不会对对方产生影响，这样其实就把生产者和消费者之间的强耦合解开，变为了生产者和缓冲区/消费者和缓冲区之间的弱耦合

2、通过平衡生产者和消费者的处理能力来提高整体处理数据的速度， 这是生产者/消费者模型最重要的一个优点。如果消费者直接从生产者这里拿数据，如果生产者生产的速度很慢，但消费者消费的速度很快，那消费者就得占用 CPU的时间片白白等在那边。有了生产者/消费者模型，生产者和消费者就是两个独立的并发体，生产者把生产出来的数据往缓冲区一丢就好了，不必管消费者； 消费者也是，从缓冲区去拿数据就好了，也不必管生产者，缓冲区满了就不生产，缓冲区空了就不消费，使生产者/消费者的处理能力达到一个动态的平衡

 

利用wait()/notify()实现生产者/消费者模型

既然生产者/消费者模型有一个缓冲区，那么我们就自己做一个缓冲区，生产者和消费者的通信都是通过这个缓冲区的。value为""表示缓冲区空，value不为""表示缓冲区满：

public class ValueObject
{
    public static String value = "";
}

接下来就是一个生产者了，如果缓冲区满了的，那么就wait()，不再生产了，等待消费者消费完通知；如果缓冲区是空的，那么就生产数据到缓冲区中

public class Producer
{
    private Object lock;
    
    public Producer(Object lock)
    {
        this.lock = lock;
    }
    
    public void setValue()
    {
        try
        {
            synchronized (lock)
            {
                if (!ValueObject.value.equals(""))
                    lock.wait();
                String value = System.currentTimeMillis() + "_" + System.nanoTime();
                System.out.println("Set的值是：" + value);
                ValueObject.value = value;
                lock.notify();
            }
        }
        catch (InterruptedException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

消费者类似，如果缓冲区是空的，那么就不再消费，wait()等待，等待生产者生产完通知；如果缓冲区不是空的，那么就去拿数据：

public class Customer
{
    private Object lock;
    
    public Customer(Object lock)
    {
        this.lock = lock;
    }
    
    public void getValue()
    {
        try
        {
            synchronized (lock)
            {
                if (ValueObject.value.equals(""))
                    lock.wait();
                System.out.println("Get的值是：" + ValueObject.value);
                ValueObject.value = "";
                lock.notify();
            }
        } 
        catch (InterruptedException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

写个主函数，开两个线程调用Producer里面的getValue()方法和Customer()里面的setValue()方法：

public static void main(String[] args)
{
    Object lock = new Object();
    final Producer producer = new Producer(lock);
    final Customer customer = new Customer(lock);
    Runnable producerRunnable = new Runnable()
    {
        public void run()
        {
            while (true)
            {
                producer.setValue();
            }
        }
    };
    Runnable customerRunnable = new Runnable()
    {
        public void run()
        {
            while (true)
            {
                customer.getValue();
            }
        }
    };
    Thread producerThread = new Thread(producerRunnable);
    Thread CustomerThread = new Thread(customerRunnable);
    producerThread.start();
    CustomerThread.start();
}

看一下运行结果：

...
Set的值是：1444025677743_162366875965845
Get的值是：1444025677743_162366875965845
Set的值是：1444025677743_162366875983541
Get的值是：1444025677743_162366875983541
Set的值是：1444025677743_162366876004776
Get的值是：1444025677743_162366876004776
...

生产数据和消费数据一定是成对出现的，生产一个消费一个，满了不生产，空了不消费，生产者不能无限生产，消费者也不能无限消费，符合生产者/消费者模型。生产者速度快，就不占用CPU时间片，等着消费者消费完通知它继续生产，这块时间片可以用来给其他线程用。

 

利用await()/signal()实现生产者和消费者模型

一样，先定义一个缓冲区：

public class ValueObject
{
    public static String value = "";
}

换种写法，生产和消费方法放在一个类里面：

public class ThreadDomain41 extends ReentrantLock
{
    private Condition condition = newCondition();
    
    public void set()
    {
        try
        {
            lock();
            while (!"".equals(ValueObject.value))
                condition.await();
            ValueObject.value = "123";
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "生产了value, value的当前值是" + ValueObject.value);
            condition.signal();
        }
        catch (InterruptedException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
        finally
        {
            unlock();
        }
    }
    
    public void get()
    {
        try
        {
            lock();
            while ("".equals(ValueObject.value))
                condition.await();
            ValueObject.value = "";
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "消费了value, value的当前值是" + ValueObject.value);
            condition.signal();
        }
        catch (InterruptedException e)
        {
            e.printStackTrace();
        }
        finally
        {
            unlock();
        }
    }
}

同样的，开两个线程，一个线程调用set()方法生产，另一个线程调用get()方法消费：

public static void main(String[] args)
{
    final ThreadDomain41 td = new ThreadDomain41();
    Runnable producerRunnable = new Runnable()
    {
        public void run()
        {
            for (int i = 0; i < Integer.MAX_VALUE; i++)
                td.set();
        }
    };
    Runnable customerRunnable = new Runnable()
    {
        public void run()
        {
            for (int i = 0; i < Integer.MAX_VALUE; i++)
                td.get();
        }
    };
    Thread ProducerThread = new Thread(producerRunnable);
    ProducerThread.setName("Producer");
    Thread ConsumerThread = new Thread(customerRunnable);
    ConsumerThread.setName("Consumer");
    ProducerThread.start();
    ConsumerThread.start();
}

看一下运行结果：

...
Producer生产了value, value的当前值是123
Consumer消费了value, value的当前值是
Producer生产了value, value的当前值是123
Consumer消费了value, value的当前值是
Producer生产了value, value的当前值是123
Consumer消费了value, value的当前值是
...

和wait()/notify()机制的实现效果一样，同样符合生产者/消费者模型

 

小心假死

生产者/消费者模型最终达到的目的是平衡生产者和消费者的处理能力，达到这个目的的过程中，并不要求只有一个生产者和一个消费者。可以多个生产者对应多个消费者，可以一个生产者对应一个消费者，可以多个生产者对应一个消费者。

假死就发生在上面三种场景下。理论分析就能说明问题，所以就不写代码了。代码要写也很简单，上面的两个例子随便修改一个，开一个生产者线程/多个消费者线程、开多个生产者线程/消费者线程、开多个生产者线程/多个消费者线程都可以。假死指的是全部线程都进入了WAITING状态，那么程序就不再执行任何业务功能了，整个项目呈现停滞状态。

比方说有生产者A和生产者B，缓冲区由于空了，消费者处于WAITING。生产者B处于WAITING，生产者A被消费者通知生产，生产者A生产出来的产品本应该通知消费者，结果通知了生产者B，生产者B被唤醒，发现缓冲区满了，于是继续WAITING。至此，两个生产者线程处于WAITING，消费者处于WAITING，系统假死。

上面的分析可以看出，假死出现的原因是因为notify的是同类，所以非单生产者/单消费者的场景，可以采取两种方法解决这个问题：

1、synchronized用notifyAll()唤醒所有线程、ReentrantLock用signalAll()唤醒所有线程

2、用ReentrantLock定义两个Condition，一个表示生产者的Condition，一个表示消费者的Condition，唤醒的时候调用相应的Condition的signal()方法就可以了