Java 多線程基礎（十二）生產者與消費者
一、生產者與消費者模型
生產者與消費者問題是個非常典型的多線程問題，涉及到的對象包括“生產者”、“消費者”、“倉庫”和“產品”。他們之間的關係如下：
①、生產者僅僅在倉儲未滿時候生產，倉滿則停止生產。
②、消費者僅僅在倉儲有產品時候才能消費，倉空則等待。
③、當消費者發現倉儲沒產品可消費時候會通知生產者生產。
④、生產者在生產出可消費產品時候，應該通知等待的消費者去消費。
生產者消費者模型具體來講，就是在一個系統中，存在生產者和消費者兩種角色，他們通過內存緩衝區進行通信，生產者生產消費者需要的資料，消費者把資料做成產品。生產消費者模式如下圖。
在日益發展的服務類型中，譬如註冊用戶這種服務，它可能解耦成好幾種獨立的服務（賬號驗證，郵箱驗證碼，手機短信碼等）。它們作為消費者，等待用戶輸入數據，在前台數據提交之後會經過分解併發送到各個服務所在的url，分發的那個角色就相當於生產者。消費者在獲取數據時候有可能一次不能處理完，那麼它們各自有一個請求隊列，那就是內存緩衝區了。做這項工作的框架叫做消息隊列。
二、生產者與消費者實現
下面通過生產包子的例子及wait()/notify()方式實現該模型(後面學習線程池相關內容之後，再通過其它方式實現生產/者消費者模型)。
麵包類：
public class Bread {
private int capacity; // 麵包的容量
private int size; // 麵包的實際數量
public Bread(int capacity) {
this.capacity = capacity;
this.size = 0;
}
// 生產麵包
public synchronized void produce(int val) {
try {
// left 表示“想要生產的數量”(有可能生產量太多，需多此生產)
int left = val;
while (left > 0) {
// 庫存已滿時，等待“消費者”消費產品。
while (size >= capacity)
wait();
// 獲取“實際生產的數量”(即庫存中新增的數量)
// 如果“庫存”+“想要生產的數量”>“總的容量”，則“實際增量”=“總的容量”-“當前容量”。(此時填滿倉庫)
// 否則“實際增量”=“想要生產的數量”
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“消費者”可以消費了。
notifyAll();
}
}catch(InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
// 消費麵包
public synchronized void consume(int val) {
try {
// left 表示“客戶要消費數量”(有可能消費量太大，庫存不夠，需多此消費)
int left = val;
while (left > 0) {
// 庫存為0時，等待“生產者”生產產品。
while (size <= 0)
wait();
// 獲取“實際消費的數量”(即庫存中實際減少的數量)
// 如果“庫存”<“客戶要消費的數量”，則“實際消費量”=“庫存”；
// 否則，“實際消費量”=“客戶要消費的數量”。
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();
}
}
}
生產者類
public class Producer{
Bread bread;
public Producer(Bread bread) {
this.bread = bread;
}
public void produce(final int val) {
new Thread(() -> {
bread.produce(val);
}).start();;
}
}
消費者類
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();;
}
}
測試類代碼
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);
}
}
// 運行結果
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
說明：
①、Producer是“生產者”類，它與“麵包(bread)”關聯。當調用“生產者”的produce()方法時，它會新建一個線程並向“麵包類”中生產產品。
②、Customer是“消費者”類，它與“麵包(bread)”關聯。當調用“消費者”的consume()方法時，它會新建一個線程並消費“麵包類”中的產品。
③、Bread是麵包類，記錄“麵包的產量(capacity)”以及麵包當前實際數目(size)”。
麵包類的生產方法produce()和消費方法consume()方法都是synchronized方法，進入synchronized方法體，意味着這個線程獲取到了該“麵包”對象的同步鎖。這也就是說，同一時間，生產者和消費者線程只能有一個能運行。通過同步鎖，實現了對“殘酷”的互斥訪問。
對於生產方法 produce() 而言：當麵包量滿時，生產者線程等待，需要等待消費者消費產品之後，生產線程才能生產；生產者線程生產完麵包之後，會通過 notifyAll() 喚醒同步鎖上的所有線程，包括“消費者線程”，即我們所說的“通知消費者進行消費”。
對於消費方法consume()而言：當倉庫為空時，消費者線程等待，需要等待生產者生產產品之後，消費者線程才能消費；消費者線程消費完產品之後，會通過 notifyAll() 喚醒同步鎖上的所有線程，包括“生產者線程”，即我們所說的“通知生產者進行生產”。
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