Java线程(三):线程协作-生产者/消费者问题

        上一篇讲述了线程的互斥(同步),但是在很多情况下,仅仅同步是不够的,还需要线程与线程协作(通信),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。本文讲述了JDK5之前传统线程的通信方式,更高级的通信方式可参见Java线程(九):Condition-线程通信更高效的方式Java线程(篇外篇):阻塞队列BlockingQueue

        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:

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
/** 定义一个盘子类,可以放鸡蛋和取鸡蛋 */
public class Plate {
	/** 装鸡蛋的盘子 */
	List<Object> eggs = new ArrayList<Object>();
	/** 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到就绪队列
		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);// 往盘子里放鸡蛋
		notify();// 唤醒阻塞队列的某线程到就绪队列
		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 < 10; i++) {
			new Thread(new AddThread(plate)).start();
			new Thread(new GetThread(plate)).start();
		}
	}
}

        输出结果:

放入鸡蛋
拿到鸡蛋
放入鸡蛋
拿到鸡蛋
放入鸡蛋
拿到鸡蛋
放入鸡蛋
拿到鸡蛋
放入鸡蛋
拿到鸡蛋
放入鸡蛋
拿到鸡蛋
放入鸡蛋
拿到鸡蛋
放入鸡蛋
拿到鸡蛋
放入鸡蛋
拿到鸡蛋
放入鸡蛋
拿到鸡蛋

        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。

        前段时间看了张孝祥老师线程的视频,讲述了一个其学员的面试题,也是线程通信的,在此也分享一下。

        题目:子线程循环10次,主线程循环100次,如此循环100次,好像是空中网的笔试题。

public class ThreadTest2 {
	public static void main(String[] args) {
		final Business business = new Business();
		new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				threadExecute(business, "sub");
			}
		}).start();
		threadExecute(business, "main");
	}	
	public static void threadExecute(Business business, String threadType) {
		for(int i = 0; i < 100; i++) {
			try {
				if("main".equals(threadType)) {
					business.main(i);
				} else {
					business.sub(i);
				}
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}
	}
}
class Business {
	private boolean bool = true;
	public synchronized void main(int loop) throws InterruptedException {
		while(bool) {
			this.wait();
		}
		for(int i = 0; i < 100; i++) {
			System.out.println("main thread seq of " + i + ", loop of " + loop);
		}
		bool = true;
		this.notify();
	}	
	public synchronized void sub(int loop) throws InterruptedException {
		while(!bool) {
			this.wait();
		}
		for(int i = 0; i < 10; i++) {
			System.out.println("sub thread seq of " + i + ", loop of " + loop);
		}
		bool = false;
		this.notify();
	}
}

       大家注意到没有,在调用wait方法时,都是用while判断条件的,而不是if,在wait方法说明中,也推荐使用while,因为在某些特定的情况下,线程有可能被假唤醒,使用while会循环检测更稳妥。wait和notify方法必须工作于synchronized内部,且这两个方法只能由锁对象来调用。

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