生产者/消费者问题的多种Java实现方式

生产者消费者问题是研究多线程程序时绕不开的经典问题之一，它描述是有一块缓冲区作为仓库，生产者可以将产品放入仓库，消费者则可以从仓库中取走产品。解决生产者/消费者问题的方法可分为两类：（1）采用某种机制保护生产者和消费者之间的同步；（2）在生产者和消费者之间建立一个管道。第一种方式有较高的效率，并且易于实现，代码的可控制性较好，属于常用的模式。第二种管道缓冲区不易控制，被传输数据对象不易于封装等，实用性不强。因此本文只介绍同步机制实现的生产者/消费者问题。

同步问题核心在于：如何保证同一资源被多个线程并发访问时的完整性。常用的同步方法是采用信号或加锁机制，保证资源在任意时刻至多被一个线程访问。Java语言在多线程编程上实现了完全对象化，提供了对同步机制的良好支持。在Java中一共有四种方法支持同步，其中前三个是同步方法，一个是管道方法。

（1）wait() / notify()方法

（2）await() / signal()方法

（3）BlockingQueue阻塞队列方法

（4）PipedInputStream / PipedOutputStream

本文只介绍最常用的前三种，第四种暂不做讨论，有兴趣的读者可以自己去网上找答案。

首先封装生产者消费者类：重用

生产者

/**
* 生产者类Producer继承线程类Thread
*
*/
public class Producer extends Thread {
// 每次生产的产品数量
private int num;

// 所在放置的仓库
private Storage storage;

// 构造函数，设置仓库
public Producer(Storage storage) {
this.storage = storage;
}

////////////////////////
// 重写的run函数
// 线程run函数
public void run() {
produce(num);
}

// 调用仓库Storage的生产函数
public void produce(int num) {
storage.produce(num);
}

// get/set方法
public int getNum() {
return num;
}

public void setNum(int num) {
this.num = num;
}

public Storage getStorage() {
return storage;
}

public void setStorage(Storage storage) {
this.storage = storage;
}
}

消费者

/**
* 消费者类Consumer继承线程类Thread
*
*/
public class Consumer extends Thread {
// 每次消费的产品数量
private int num;

// 所在放置的仓库
private Storage storage;

// 构造函数，设置仓库
public Consumer(Storage storage) {
this.storage = storage;
}

////////////////////////
// 重写的run函数
// 线程run函数
public void run() {
consume(num);
}

// 调用仓库Storage的生产函数
public void consume(int num) {
storage.consume(num);
}

// get/set方法
public int getNum() {
return num;
}

public void setNum(int num) {
this.num = num;
}

public Storage getStorage() {
return storage;
}

public void setStorage(Storage storage) {
this.storage = storage;
}
}

通用测试类

/**
* 测试类Test
*/
public class Test {
public static void main(String[] args) {
// 仓库对象
Storage storage = new Storage();

// 生产者对象
Producer p1 = new Producer(storage);
Producer p2 = new Producer(storage);
Producer p3 = new Producer(storage);
Producer p4 = new Producer(storage);
Producer p5 = new Producer(storage);
Producer p6 = new Producer(storage);
Producer p7 = new Producer(storage);

// 消费者对象
Consumer c1 = new Consumer(storage);
Consumer c2 = new Consumer(storage);
Consumer c3 = new Consumer(storage);

// 设置生产者产品生产数量
p1.setNum(10);
p2.setNum(10);
p3.setNum(10);
p4.setNum(10);
p5.setNum(10);
p6.setNum(10);
p7.setNum(80);

// 设置消费者产品消费数量
c1.setNum(50);
c2.setNum(20);
c3.setNum(30);

// 线程开始执行
c1.start();
c2.start();
c3.start();
p1.start();
p2.start();
p3.start();
p4.start();
p5.start();
p6.start();
p7.start();
}
}

一、wait() / notify()方法

wait() / nofity()方法是基类Object的两个方法，也就意味着所有Java类都会拥有这两个方法，这样，我们就可以为任何对象实现同步机制。

wait()方法：当缓冲区已满/空时，生产者/消费者线程停止自己的执行，放弃锁，使自己处于等等状态，让其他线程执行。

notify()方法：当生产者/消费者向缓冲区放入/取出一个产品时，向其他等待的线程发出可执行的通知，同时放弃锁，使自己处于等待状态。

主仓库函数

import java.util.LinkedList;

/**
* 仓库类Storage实现缓冲区
*/
public class Storage {
// 仓库最大存储量
private final int MAX_SIZE = 100;

// 仓库存储的载体
private LinkedList<Object> list =
new LinkedList<Object>();

// 生产num个产品
public void produce(int num) {
// 同步代码段
synchronized (list) {
// 如果仓库剩余容量不足
while (list.size() + num > MAX_SIZE) {
System.out.println("【要生产的产品数量】:" + num +
" 【库存量】:" + list.size() +
" 暂时不能执行生产任务!");
try {
// 由于条件不满足，生产阻塞
list.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}

// 生产条件满足情况下，生产num个产品
for (int i = 1; i <= num; ++i) {
list.add(new Object());
}

System.out.println("【已经生产产品数】:" + num +
" 【现仓储量为】:" + list.size());

list.notifyAll();
}
}

// 消费num个产品
public void consume(int num) {
// 同步代码段
synchronized (list) {
// 如果仓库存储量不足
while (list.size() < num) {
System.out.println("【要消费的产品数量】:" + num +
" 【库存量】:" + list.size() +
"  暂时不能执行生产任务!");
try {
// 由于条件不满足，消费阻塞
list.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}

// 消费条件满足情况下，消费num个产品
for (int i = 1; i <= num; ++i) {
list.remove();
}

System.out.println("【已经消费产品数】:" + num +
" 【现仓储量为】:" + list.size());

list.notifyAll();
}
}

// get/set方法
public LinkedList<Object> getList() {
return list;
}

public void setList(LinkedList<Object> list) {
this.list = list;
}

public int getMAX_SIZE() {
return MAX_SIZE;
}
}

结果

【要消费的产品数量】:50 【库存量】:0  暂时不能执行生产任务!
【已经生产产品数】:80 【现仓储量为】:80
【已经生产产品数】:10 【现仓储量为】:90
【已经生产产品数】:10 【现仓储量为】:100
【要生产的产品数量】:10 【库存量】:100 暂时不能执行生产任务!
【要生产的产品数量】:10 【库存量】:100 暂时不能执行生产任务!
【要生产的产品数量】:10 【库存量】:100 暂时不能执行生产任务!
【要生产的产品数量】:10 【库存量】:100 暂时不能执行生产任务!
【已经消费产品数】:30 【现仓储量为】:70
【已经消费产品数】:20 【现仓储量为】:50
【已经生产产品数】:10 【现仓储量为】:60
【已经生产产品数】:10 【现仓储量为】:70
【已经生产产品数】:10 【现仓储量为】:80
【已经生产产品数】:10 【现仓储量为】:90
【已经消费产品数】:50 【现仓储量为】:40

二、await() / signal()方法

在JDK5.0之后，Java提供了更加健壮的线程处理机制，包括同步、锁定、线程池等，它们可以实现更细粒度的线程控制。await()和signal()就是其中用来做同步的两种方法，它们的功能基本上和wait() / nofity()相同，完全可以取代它们，但是它们和新引入的锁定机制Lock直接挂钩，具有更大的灵活性。通过在Lock对象上调用newCondition()方法，将条件变量和一个锁对象进行绑定，进而控制并发程序访问竞争资源的安全。

仓库函数

import java.util.LinkedList;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
* 仓库类Storage实现缓冲区
*/
public class Storage {
// 仓库最大存储量
private final int MAX_SIZE = 100;

// 仓库存储的载体
private LinkedList<Object> list = new LinkedList<Object>();

// 锁
private final Lock lock = new ReentrantLock();

// 仓库满的条件变量
private final Condition full = lock.newCondition();

// 仓库空的条件变量
private final Condition empty = lock.newCondition();

// 生产num个产品
public void produce(int num) {
// 获得锁
lock.lock();

// 如果仓库剩余容量不足
while (list.size() + num > MAX_SIZE) {
System.out.println("【要生产的产品数量】:" +
num + " 【库存量】:" + list.size() + " 暂时不能执行生产任务!");
try {
// 由于条件不满足，生产阻塞
full.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}

// 生产条件满足情况下，生产num个产品
for (int i = 1; i <= num; ++i) {
list.add(new Object());
}

System.out.println("【已经生产产品数】:" + num +
" 【现仓储量为】:" + list.size());

// 唤醒其他所有线程
full.signalAll();
empty.signalAll();

// 释放锁
lock.unlock();
}

// 消费num个产品
public void consume(int num) {
// 获得锁
lock.lock();

// 如果仓库存储量不足
while (list.size() < num) {
System.out.println("【要消费的产品数量】:" + num +
" 【库存量】:" + list.size() + " 暂时不能执行生产任务!");
try {
// 由于条件不满足，消费阻塞
empty.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}

// 消费条件满足情况下，消费num个产品
for (int i = 1; i <= num; ++i) {
list.remove();
}

System.out.println("【已经消费产品数】:" + num +
" 【现仓储量为】:" + list.size());

// 唤醒其他所有线程
full.signalAll();
empty.signalAll();

// 释放锁
lock.unlock();
}

// set/get方法
public int getMAX_SIZE() {
return MAX_SIZE;
}

public LinkedList<Object> getList() {
return list;
}
public void setList(LinkedList<Object> list) {
this.list = list;
}
}

测试结果

【要消费的产品数量】:50 【库存量】:0 暂时不能执行生产任务!
【已经生产产品数】:10 【现仓储量为】:10
【要消费的产品数量】:20 【库存量】:10 暂时不能执行生产任务!
【要消费的产品数量】:30 【库存量】:10 暂时不能执行生产任务!
【已经生产产品数】:10 【现仓储量为】:20
【已经生产产品数】:10 【现仓储量为】:30
【已经生产产品数】:10 【现仓储量为】:40
【要消费的产品数量】:50 【库存量】:40 暂时不能执行生产任务!
【已经生产产品数】:10 【现仓储量为】:50
【已经生产产品数】:10 【现仓储量为】:60
【要生产的产品数量】:80 【库存量】:60 暂时不能执行生产任务!
【已经消费产品数】:20 【现仓储量为】:40
【已经消费产品数】:30 【现仓储量为】:10
【要消费的产品数量】:50 【库存量】:10 暂时不能执行生产任务!
【已经生产产品数】:80 【现仓储量为】:90
【已经消费产品数】:50 【现仓储量为】:40

三、BlockingQueue方法

BlockingQueue是JDK5.0的新增内容，它是一个已经在内部实现了同步的队列，实现方式采用的是我们第2种await() / signal()方法。它可以在生成对象时指定容量大小。它用于阻塞操作的是put()和take()方法。

put()方法：类似于我们上面的生产者线程，容量达到最大时，自动阻塞。

take()方法：类似于我们上面的消费者线程，容量为0时，自动阻塞。

关于BlockingQueue的内容网上有很多，大家可以自己搜，我在这不多介绍。下面直接看代码，跟以往一样，我们只需要更改仓库类Storage的代码即可：

仓库函数

import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
/**
* 仓库类Storage实现缓冲区
*
*/
public class Storage {
// 仓库最大存储量
private final int MAX_SIZE = 100;

// 仓库存储的载体
private LinkedBlockingQueue<Object> list =
new LinkedBlockingQueue<Object>(100);

// 生产num个产品
public void produce(int num) {
// 如果仓库剩余容量为0
if (list.size() == MAX_SIZE) {
System.out.println("【库存量】:" +
MAX_SIZE + " 暂时不能执行生产任务!");
}

// 生产条件满足情况下，生产num个产品
for (int i = 1; i <= num; ++i) {
try {
// 放入产品，自动阻塞
list.put(new Object());
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}

System.out.println("【现仓储量为】:"
+ list.size());
}
}

// 消费num个产品
public void consume(int num) {
// 如果仓库存储量不足
if (list.size() == 0) {
System.out.println("【库存量】:0 暂时不能执行生产任务!");
}

// 消费条件满足情况下，消费num个产品
for (int i = 1; i <= num; ++i) {
try {
// 消费产品，自动阻塞
list.take();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}

System.out.println("【现仓储量为】:" + list.size());
}

// set/get方法
public LinkedBlockingQueue<Object> getList() {
return list;
}

public void setList(LinkedBlockingQueue<Object> list) {
this.list = list;
}

public int getMAX_SIZE() {
return MAX_SIZE;
}
}

部分结果

【库存量】:0 暂时不能执行生产任务!
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:2
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:2
【现仓储量为】:5
【库存量】:0 暂时不能执行生产任务!
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:2
【库存量】:0 暂时不能执行生产任务!
【现仓储量为】:4
【现仓储量为】:1
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:3
【现仓储量为】:4

附录：

另一种Demo

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

/**
* java多线程模拟生产者消费者问题
*
* ProducerConsumer是主类， Producer生产者，
* Consumer消费者， Product产品， Storage仓库
*
*/
public class ProducerConsumer {
public static void main(String[] args) {
ProducerConsumer pc = new ProducerConsumer();

Storage s = pc.new Storage();

ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
Producer p = pc.new Producer("生产者1", s);
Producer p2 = pc.new Producer("生产者2", s);
Consumer c = pc.new Consumer("消费者1", s);
Consumer c2 = pc.new Consumer("消费者2", s);
Consumer c3 = pc.new Consumer("消费者3", s);
service.submit(p);
service.submit(p2);
service.submit(c);
service.submit(c2);
service.submit(c3);

}

/**
* 消费者
*/
class Consumer implements Runnable {
private String name;
private Storage s = null;

public Consumer(String name, Storage s) {
this.name = name;
this.s = s;
}

public void run() {
try {
while (true) {
System.out.println(name + "准备消费产品.");
Product product = s.pop();
System.out.println(name + "已消费("
+ product.toString() + ").");
System.out.println("===============");
Thread.sleep(500);
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}

}

}

/**
* 生产者
*/
class Producer implements Runnable {
private String name;
private Storage s = null;

public Producer(String name, Storage s) {
this.name = name;
this.s = s;
}

public void run() {
try {
while (true) {
// 产生0~9999随机整数
Product product = new Product((int)
(Math.random() * 10000));
System.out.println(name + "准备生产("
+ product.toString() + ").");
s.push(product);
System.out.println(name + "已生产("
+ product.toString() + ").");
System.out.println("===============");
Thread.sleep(1000);
}
} catch (InterruptedException e1) {
e1.printStackTrace();
}

}
}

/**
* 仓库，用来存放产品
*
* @author
* @version
*/
public class Storage {
BlockingQueue<Product> queues =
new LinkedBlockingQueue<Product>(10);

/**
* 生产
*
* @param p
*            产品
* @throws InterruptedException
*/
public void push(Product p) throws InterruptedException {
queues.put(p);
}

/**
* 消费
*
* @return 产品
* @throws InterruptedException
*/
public Product pop() throws InterruptedException {
return queues.take();
}
}

/**
* 产品
*/
public class Product {
private int id;

public Product(int id) {
this.id = id;
}

// 重写toString方法
public String toString() {
return "产品：" + this.id;
}
}

}

消费者2准备消费产品.
消费者3准备消费产品.
消费者1准备消费产品.
生产者2准备生产(产品：4261).
生产者1准备生产(产品：9436).
消费者2已消费(产品：4261).
===============
生产者2已生产(产品：4261).
===============
消费者3已消费(产品：9436).
===============
生产者1已生产(产品：9436).
===============
消费者2准备消费产品.
消费者3准备消费产品.
生产者2准备生产(产品：931).
生产者2已生产(产品：931).

附录：

交替打印

/*
* 编写一个程序，开启 3 个线程，这三个线程的 ID 分别为 A、B、C，每个线程将自己的 ID 在屏幕上打印 10 遍，要求输出的结果必须按顺序显示。
* 如：ABCABCABC…… 依次递归
*/

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class TestABCAlternate {

public static void main(String[] args) {
AlternateDemo ad = new AlternateDemo();

new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {

for (int i = 1; i <= 10; i++) {
ad.loopA(i);
}

}
}, "A").start();

new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {

for (int i = 1; i <= 10; i++) {
ad.loopB(i);
}

}
}, "B").start();

new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {

for (int i = 1; i <= 10; i++) {
ad.loopC(i);

System.out.println("-----------------------------------");
}

}
}, "C").start();
}

}

class AlternateDemo {

private int number = 1; // 当前正在执行线程的标记

private Lock lock = new ReentrantLock();
private Condition condition1 = lock.newCondition();
private Condition condition2 = lock.newCondition();
private Condition condition3 = lock.newCondition();

/**
* @param totalLoop
*            : 循环第几轮
*/
public void loopA(int totalLoop) {
lock.lock();

try {
// 1. 判断
if (number != 1) {
condition1.await();
}

// 2. 打印
for (int i = 1; i <= 1; i++) {
System.out.println(
Thread.currentThread().getName()
+ "\t" + i + "\t" + totalLoop);
}

// 3. 唤醒
number = 2;
condition2.signal();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}

public void loopB(int totalLoop) {
lock.lock();

try {
// 1. 判断
if (number != 2) {
condition2.await();
}

// 2. 打印
for (int i = 1; i <= 1; i++) {
System.out.println(
Thread.currentThread().getName()
+ "\t" + i + "\t" + totalLoop);
}

// 3. 唤醒
number = 3;
condition3.signal();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}

public void loopC(int totalLoop) {
lock.lock();

try {
// 1. 判断
if (number != 3) {
condition3.await();
}

// 2. 打印
for (int i = 1; i <= 1; i++) {
System.out.println(
Thread.currentThread().getName()
+ "\t" + i + "\t" + totalLoop);
}

// 3. 唤醒
number = 1;
condition1.signal();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}

}

http://blog.csdn.net/monkey_d_meng/article/details/6251879 http://www.cnblogs.com/linjiqin/p/3217050.html