Java多线程系列--“基础篇”11之 生产消费者问题

Posted 2020-06-25 wzyxidian

概要

本章，会对“生产/消费者问题”进行讨论。涉及到的内容包括：
1. 生产/消费者模型
2. 生产/消费者实现

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1. 生产/消费者模型

生产/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：
(01) 生产者仅仅在仓储未满时候生产，仓满则停止生产。
(02) 消费者仅仅在仓储有产品时候才能消费，仓空则等待。
(03) 当消费者发现仓储没产品可消费时候会通知生产者生产。
(04) 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。

 

2. 生产/消费者实现

下面通过wait()/notify()方式实现该模型(后面在学习了线程池相关内容之后，再通过其它方式实现生产/消费者模型)。源码如下：

  1 // Demo1.java
  2 // 仓库
  3 class Depot {
  4     private int capacity;    // 仓库的容量
  5     private int size;        // 仓库的实际数量
  6 
  7     public Depot(int capacity) {
  8         this.capacity = capacity;
  9         this.size = 0;
 10     }
 11 
 12     public synchronized void produce(int val) {
 13         try {
 14              // left 表示“想要生产的数量”(有可能生产量太多，需多此生产)
 15             int left = val;
 16             while (left > 0) {
 17                 // 库存已满时，等待“消费者”消费产品。
 18                 while (size >= capacity)
 19                     wait();
 20                 // 获取“实际生产的数量”(即库存中新增的数量)
 21                 // 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)
 22                 // 否则“实际增量”=“想要生产的数量”
 23                 int inc = (size+left)>capacity ? (capacity-size) : left;
 24                 size += inc;
 25                 left -= inc;
 26                 System.out.printf("%s produce(%3d) --> left=%3d, inc=%3d, size=%3d\\n", 
 27                         Thread.currentThread().getName(), val, left, inc, size);
 28                 // 通知“消费者”可以消费了。
 29                 notifyAll();
 30             }
 31         } catch (InterruptedException e) {
 32         }
 33     } 
 34 
 35     public synchronized void consume(int val) {
 36         try {
 37             // 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)
 38             int left = val;
 39             while (left > 0) {
 40                 // 库存为0时，等待“生产者”生产产品。
 41                 while (size <= 0)
 42                     wait();
 43                 // 获取“实际消费的数量”(即库存中实际减少的数量)
 44                 // 如果“库存”<“客户要消费的数量”，则“实际消费量”=“库存”；
 45                 // 否则，“实际消费量”=“客户要消费的数量”。
 46                 int dec = (size<left) ? size : left;
 47                 size -= dec;
 48                 left -= dec;
 49                 System.out.printf("%s consume(%3d) <-- left=%3d, dec=%3d, size=%3d\\n", 
 50                         Thread.currentThread().getName(), val, left, dec, size);
 51                 notifyAll();
 52             }
 53         } catch (InterruptedException e) {
 54         }
 55     }
 56 
 57     public String toString() {
 58         return "capacity:"+capacity+", actual size:"+size;
 59     }
 60 } 
 61 
 62 // 生产者
 63 class Producer {
 64     private Depot depot;
 65     
 66     public Producer(Depot depot) {
 67         this.depot = depot;
 68     }
 69 
 70     // 消费产品：新建一个线程向仓库中生产产品。
 71     public void produce(final int val) {
 72         new Thread() {
 73             public void run() {
 74                 depot.produce(val);
 75             }
 76         }.start();
 77     }
 78 }
 79 
 80 // 消费者
 81 class Customer {
 82     private Depot depot;
 83     
 84     public Customer(Depot depot) {
 85         this.depot = depot;
 86     }
 87 
 88     // 消费产品：新建一个线程从仓库中消费产品。
 89     public void consume(final int val) {
 90         new Thread() {
 91             public void run() {
 92                 depot.consume(val);
 93             }
 94         }.start();
 95     }
 96 }
 97 
 98 public class Demo1 {  
 99     public static void main(String[] args) {  
100         Depot mDepot = new Depot(100);
101         Producer mPro = new Producer(mDepot);
102         Customer mCus = new Customer(mDepot);
103 
104         mPro.produce(60);
105         mPro.produce(120);
106         mCus.consume(90);
107         mCus.consume(150);
108         mPro.produce(110);
109     }
110 }

说明：
(01) Producer是“生产者”类，它与“仓库(depot)”关联。当调用“生产者”的produce()方法时，它会新建一个线程并向“仓库”中生产产品。
(02) Customer是“消费者”类，它与“仓库(depot)”关联。当调用“消费者”的consume()方法时，它会新建一个线程并消费“仓库”中的产品。
(03) Depot是“仓库”类，仓库中记录“仓库的容量(capacity)”以及“仓库中当前产品数目(size)”。
        “仓库”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“仓库”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：当仓库满时，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；生产者线程生产完产品之后，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”。

(某一次)运行结果：

Thread-0 produce( 60) --> left=  0, inc= 60, size= 60
Thread-4 produce(110) --> left= 70, inc= 40, size=100
Thread-2 consume( 90) <-- left=  0, dec= 90, size= 10
Thread-3 consume(150) <-- left=140, dec= 10, size=  0
Thread-1 produce(120) --> left= 20, inc=100, size=100
Thread-3 consume(150) <-- left= 40, dec=100, size=  0
Thread-4 produce(110) --> left=  0, inc= 70, size= 70
Thread-3 consume(150) <-- left=  0, dec= 40, size= 30
Thread-1 produce(120) --> left=  0, inc= 20, size= 50