线程协作-生产者/消费者问题

Posted 2020-09-16 Ipeter

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。

 

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：

//盘子类。可放、取鸡蛋
public class Plate {
List<Object> eggs=new ArrayList<Object>();//装鸡蛋的盘子
//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);//放鸡蛋
	notify();//唤醒阻塞队列的某线程就绪队列
	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<6;i++){
		new Thread(new AddThread(plate)).start();
		new Thread(new GetThread(plate)).start();
	}
}
}

　　

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。