生产者/消费者问题看JAVA多线程

网友投稿 761 2022-05-30

转自:http://blog.csdn.net/coutcin/article/details/1213834

生产者消费者问题是研究多线程程序时绕不开的问题,它的描述是有一块生产者和消费者共享的有界缓冲区,生产者往缓冲区放入产品,消费者从缓冲区取走产品,这个过程可以无休止的执行,不能因缓冲区满生产者放不进产品而终止,也不能因缓冲区空消费者无产品可取而终止。

解决生产者消费者问题的方法有两种, 一种是采用某种机制保持生产者和消费者之间的同步 , 一种是在生产者和消费者之间建立一个管道 。前一种有较高的效率并且可控制性较好,比较常用,后一种由于管道缓冲区不易控制及被传输数据对象不易封装等原因,比较少用。

同步问题的核心在于,CPU是按时间片轮询的方式执行程序,我们无法知道某一个线程是否被执行、是否被抢占、是否结束等,因此生产者完全可能当缓冲区已满的时候还在放入产品,消费者也完全可能当缓冲区为空时还在取出产品。

现在 同步问题的解决方法 一般是采用信号或者加锁机制,即生产者线程当缓冲区已满时放弃自己的执行权,进入等待状态,并通知消费者线程执行。消费者线程当缓冲区已空时放弃自己的执行权,进入等待状态,并通知生产者线程执行。这样一来就保持了线程的同步,并避免了线程间互相等待而进入死锁状态。

JAVA语言提供了独立于平台的线程机制,保持了”write once, run anywhere”的特色。同时也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, 其中三个是同步方法,一个是管道方法 。

1. 方法wait()/notify()

2. 方法await()/signal()

3. 阻塞队列方法BlockingQueue

4. 管道方法PipedInputStream/PipedOutputStream

下面我们看各个方法的实现:

1. 方法wait()/notify()

wait()和notify()是根类Object的两个方法,也就意味着所有的JAVA类都会具有这个两个方法,为什么会被这样设计呢?我们可以认为所有的对象默认都具有一个锁,虽然我们看不到,也没有办法直接操作,但它是存在的。

wait()方法表示:当缓冲区已满或空时,生产者或消费者线程停止自己的执行,放弃锁,使自己处于等待状态,让另一个线程开始执行;

notify()方法表示:当生产者或消费者对缓冲区放入或取出一个产品时,向另一个线程发出可执行通知,同时放弃锁,使自己处于等待状态。

下面是一个例子代码:

import java.util.LinkedList;

public class Sycn1{

private LinkedList myList =new LinkedList();

private int MAX = 10;

public Sycn1(){

}

public void start(){

new Producer().start();

new Consumer().start();

}

public static void main(String[] args) throws Exception{

Sycn1 s1 = new Sycn1();

s1.start();

}

class Producer extends Thread{

public void run(){

由生产者/消费者问题看JAVA多线程

while(true){

synchronized(myList){

try{

while(myList.size() == MAX){

System.out.println("warning: it's full!");

myList.wait();

}

Object o = new Object();

if(myList.add(o)){

System.out.println("Producer: " + o);

myList.notify();

}

}catch(InterruptedException ie){

System.out.println("producer is interrupted!");

}

}

}

}

}

class Consumer extends Thread{

public void run(){

while(true){

synchronized(myList){

try{

while(myList.size() == 0){

System.out.println("warning: it's empty!");

myList.wait();

}

Object o = myList.removeLast();

System.out.println("Consumer: " + o);

myList.notify();

}catch(InterruptedException ie){

System.out.println("consumer is interrupted!");

}

}

}

}

}

}

2.        方法await()/signal()

在JDK5.0以后,JAVA提供了新的更加健壮的线程处理机制,包括了同步、锁定、线程池等等,它们可以实现更小粒度上的控制。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()/notify()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。

下面是一个例子代码:

import java.util.LinkedList;

import java.util.concurrent.locks.*;

public class Sycn2{

private LinkedList myList = new LinkedList();

private int MAX = 10;

private final Lock lock = new ReentrantLock();

private final Condition full = lock.newCondition();

private final Condition empty = lock.newCondition();

public Sycn2(){

}

public void start(){

new Producer().start();

new Consumer().start();

}

public static void main(String[] args) throws Exception{

Sycn2 s2 = new Sycn2();

s2.start();

}

class Producer extends Thread{

public void run(){

while(true){

lock.lock();

try{

while(myList.size() == MAX){

System.out.println("warning: it's full!");

full.await();

}

Object o = new Object();

if(myList.add(o)){

System.out.println("Producer: " + o);

empty.signal();

}

}catch(InterruptedException ie){

System.out.println("producer is interrupted!");

}finally{

lock.unlock();

}

}

}

}

class Consumer extends Thread{

public void run(){

while(true){

lock.lock();

try{

while(myList.size() == 0){

System.out.println("warning: it's empty!");

empty.await();

}

Object o = myList.removeLast();

System.out.println("Consumer: " + o);

full.signal();

}catch(InterruptedException ie){

System.out.println("consumer is interrupted!");

}finally{

lock.unlock();

}

}

}

}

}

3.        阻塞队列方法BlockingQueue

BlockingQueue也是JDK5.0的一部分,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的第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。

下面是一个例子代码:

import java.util.concurrent.*;

public class Sycn3{

private LinkedBlockingQueue queue = new LinkedBlockingQueue(10);

private int MAX = 10;

public Sycn3(){

}

public void start(){

new Producer().start();

new Consumer().start();

}

public static void main(String[] args) throws Exception{

Sycn3 s3 = new Sycn3();

s3.start();

}

class Producer extends Thread{

public void run(){

while(true){

//synchronized(this){

try{

if(queue.size() == MAX)

System.out.println("warning: it's full!");

Object o = new Object();

queue.put(o);

System.out.println("Producer: " + o);

}catch(InterruptedException e){

System.out.println("producer is interrupted!");

}

//}

}

}

}

class Consumer extends Thread{

public void run(){

while(true){

//synchronized(this){

try{

if(queue.size() == 0)

System.out.println("warning: it's empty!");

Object o = queue.take();

System.out.println("Consumer: " + o);

}catch(InterruptedException e){

System.out.println("producer is interrupted!");

}

//}

}

}

}

}

你发现这个例子中的问题了吗?

如果没有,我建议你运行一下这段代码,仔细观察它的输出,是不是有下面这个样子的?为什么会这样呢?

warning: it's full!

Producer: java.lang.object@4526e2a

你可能会说这是因为put()和System.out.println()之间没有同步造成的,我也这样认为,我也这样认为,但是你把run()中的synchronized前面的注释去掉,重新编译运行,有改观吗?没有。为什么?

这是因为,当缓冲区已满,生产者在put()操作时,put()内部调用了await()方法,放弃了线程的执行,然后消费者线程执行,调用take()方法,take()内部调用了signal()方法,通知生产者线程可以执行,致使在消费者的println()还没运行的情况下生产者的println()先被执行,所以有了上面的输出。run()中的synchronized其实并没有起什么作用。

对于BlockingQueue大家可以放心使用,这可不是它的问题,只是在它和别的对象之间的同步有问题。

对于这种多重嵌套同步的问题,以后再谈吧,欢迎大家讨论啊!

4.        管道方法PipedInputStream/PipedOutputStream

这个类位于java.io包中,是解决同步问题的最简单的办法,一个线程将数据写入管道,另一个线程从管道读取数据,这样便构成了一种生产者/消费者的缓冲区编程模式。

下面是一个例子代码,在这个代码我没有使用Object对象,而是简单的读写字节值,这是因为PipedInputStream/PipedOutputStream不允许传输对象,这是JAVA本身的一个bug,具体的大家可以看sun的解释: http://bugs.sun.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=4131126

import java.io.*;

public class Sycn4{

private PipedOutputStream pos;

private PipedInputStream pis;

//private ObjectOutputStream oos;

//private ObjectInputStream ois;

public Sycn4(){

try{

pos = new PipedOutputStream();

pis = new PipedInputStream(pos);

//oos = new ObjectOutputStream(pos);

//ois = new ObjectInputStream(pis);

}catch(IOException e){

System.out.println(e);

}

}

public void start(){

new Producer().start();

new Consumer().start();

}

public static void main(String[] args) throws Exception{

Sycn4 s4 = new Sycn4();

s4.start();

}

class Producer extends Thread{

public void run() {

try{

while(true){

int b = (int) (Math.random() * 255);

System.out.println("Producer: a byte, the value is " + b);

pos.write(b);

pos.flush();

//Object o = new MyObject();

//oos.writeObject(o);

//oos.flush();

//System.out.println("Producer: " + o);

}

}catch(Exception e){

//System.out.println(e);

e.printStackTrace();

}finally{

try{

pos.close();

pis.close();

//oos.close();

//ois.close();

}catch(IOException e){

System.out.println(e);

}

}

}

}

class Consumer extends Thread{

public void run(){

try{

while(true){

int b = pis.read();

System.out.println("Consumer: a byte, the value is " + String.valueOf(b));

//Object o = ois.readObject();

//if(o != null)

//System.out.println("Consumer: " + o);

}

}catch(Exception e){

//System.out.println(e);

e.printStackTrace();

}finally{

try{

pos.close();

pis.close();

//oos.close();

//ois.close();

}catch(IOException e){

System.out.println(e);

}

}

}

}

//class MyObject implements Serializable {

//}

}

Java 任务调度 多线程

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