生產者消費者問題理解與Java實現

時間 2019-12-06

原文原文鏈接

生產者消費者問題（英語：Producer-consumer problem），也稱有限緩衝問題（英語：Bounded-buffer problem），是一個多線程同步問題的經典案例。該問題描述了兩個共享固定大小緩衝區的線程——即所謂的「生產者」和「消費者」——在實際運行時會發生的問題。生產者的主要做用是生成必定量的數據放到緩衝區中，而後重複此過程。與此同時，消費者也在緩衝區消耗這些數據。該問題的關鍵就是要保證生產者不會在緩衝區滿時加入數據，消費者也不會在緩衝區中空時消耗數據。 html

要解決該問題，就必須讓生產者在緩衝區滿時休眠（要麼乾脆就放棄數據），等到下次消費者消耗緩衝區中的數據的時候，生產者才能被喚醒，開始往緩衝區添加數據。一樣，也可讓消費者在緩衝區空時進入休眠，等到生產者往緩衝區添加數據以後，再喚醒消費者。一般採用進程間通訊的方法解決該問題，經常使用的方法有信號燈法等。若是解決方法不夠完善，則容易出現死鎖的狀況。出現死鎖時，兩個線程都會陷入休眠，等待對方喚醒本身。該問題也能被推廣到多個生產者和消費者的情形。 java

Java代碼模擬生產者-消費者
產品類 linux

package org.dennist.thread.demo;
/**
 *  Product.java    
 */
public class Product {    //產品類

    private int productId = 0;
    
    public Product(int productId){
        this.productId = productId;
    }

    public int getProductId() {
        return productId;
    }
    
    
    public void setProductId(int productId) {
        this.productId = productId;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return ""+productId;
    }

}

倉庫類 c++

package org.dennist.thread.demo;

public class StoreHouse {

    private int base = 0;
    private int top = 0;
    //倉庫大小
    private Product[] products = new Product[10];
    
    /**
     * 生產產品
     * @param product
     */
    public synchronized void push(Product product){
        if(top==products.length){    //若是倉庫已滿,等待消費
            try {
                System.out.println("倉庫已滿,正在等待消費..");
                wait();
            }catch (InterruptedException e) { 
                System.out.println("stop push product because other reasons"); 

            } 
        }
        //倉庫未滿,將生產的產品入庫
        products[top] = product;
        //庫中產品數量+1
        top++;
    }
    
    /**
     * 消費產品
     * @return
     */
    public synchronized Product pop() { 
        Product product = null; 
        while (top == base) {     //倉庫未空,不能消費
            notify(); 
            try { 
                System.out.println("倉庫已空，正等待生產..."); 
                wait(); 
            } catch (InterruptedException e) { 
                System.out.println("stop push product because other reasons"); 

            } 
        } 
        //倉庫未空,等待消費
        top--; 
        product = products[top]; 
        products[top] = null; 
        return product; 
    } 
    
}

生產者類數組

package org.dennist.thread.demo;

public class Producer implements Runnable{

    private String producerName ;
    private StoreHouse storeHouse ;
    
    public Producer(String producerName, StoreHouse storeHouse) { 
        this.producerName = producerName; 
        this.storeHouse = storeHouse; 
    } 
 
    public void setProducerName(String producerName) { 
        this.producerName = producerName; 
    } 
 
    public String getProducerName() { 
        return producerName; 
    } 
     
    
    @Override
    public void run() {
        execProcuct();
    }

    private void execProcuct() {
        int i = 0;
        while(true){
             i++; 
             Product pro = new Product(i); 
             storeHouse.push(pro); 
             System.out.println(getProducerName() + " 生產了 " + pro); 
             try { 
                 Thread.sleep(2000); 
             } catch (InterruptedException e) { 
                 return; 
             } 
        }
    }

}

消費者類安全

package org.dennist.thread.demo;

public class Consumer implements Runnable{

    private String consumerName = null; 
    
    private StoreHouse storeHouse = null; 
 
    public Consumer(String consumerName, StoreHouse storeHouse) { 
        this.consumerName = consumerName; 
        this.storeHouse = storeHouse; 
    } 
     
    public void setConsumerName(String consumerName) { 
        this.consumerName = consumerName; 
    } 
     
    public String getConsumerName() { 
        return consumerName; 
    } 
     
    public void execConsume() { 
        while (true) { 
            System.out.println(getConsumerName() + " 消費了 " + storeHouse.pop()); 
            try { 
                Thread.sleep(5000); 
            } catch (InterruptedException e) { 
                return; 
            } 
        } 
    } 
 
  
    @Override
    public void run() {
         execConsume(); 
    }

}

測試主類網絡

package org.dennist.thread.demo;

public class TestPC {

    public static void main(String[] args) {
         StoreHouse storeHouse = new StoreHouse(); 
         Producer producer = new Producer("生產者", storeHouse); 
         Consumer comsumer = new Consumer("消費者", storeHouse); 
         Thread t1 = new Thread(producer); 
         Thread t2 = new Thread(comsumer); 
         t1.start(); 
         t2.start(); 
    }
}

關於JAVA多線程同步多線程

JAVA多線程同步主要依賴於若干方法和關鍵字 app

1 wait方法： ide

該方法屬於Object的方法，wait方法的做用是使得當前調用wait方法所在部分（代碼塊）的線程中止執行，並釋放當前得到的調用wait所在的代碼塊的鎖，並在其餘線程調用notify或者notifyAll方法時恢復到競爭鎖狀態（一旦得到鎖就恢復執行）。

調用wait方法須要注意幾點：

第一點：wait被調用的時候必須在擁有鎖（即synchronized修飾的）的代碼塊中。

第二點：恢復執行後，從wait的下一條語句開始執行，於是wait方法老是應當在while循環中調用，以避免出現恢復執行後繼續執行的條件不知足卻繼續執行的狀況。

第三點：若wait方法參數中帶時間，則除了notify和notifyAll被調用能激活處於wait狀態（等待狀態）的線程進入鎖競爭外，在其餘線程中interrupt它或者參數時間到了以後，該線程也將被激活到競爭狀態。

第四點：wait方法被調用的線程必須得到以前執行到wait時釋放掉的鎖從新得到纔可以恢復執行。

2 notify方法和notifyAll方法：

notify方法通知調用了wait方法，可是還沒有激活的一個線程進入線程調度隊列（即進入鎖競爭），注意不是當即執行。而且具體是哪個線程不能保證。另一點就是被喚醒的這個線程必定是在等待wait所釋放的鎖。

notifyAll方法則喚醒全部調用了wait方法，還沒有激活的進程進入競爭隊列。

3 synchronized關鍵字：

第一點：synchronized用來標識一個普通方法時，表示一個線程要執行該方法，必須取得該方法所在的對象的鎖。

第二點：synchronized用來標識一個靜態方法時，表示一個線程要執行該方法，必須得到該方法所在的類的類鎖。

第三點：synchronized修飾一個代碼塊。相似這樣：synchronized(obj) { //code.... }。表示一個線程要執行該代碼塊，必須得到obj的鎖。這樣作的目的是減少鎖的粒度，保證當不一樣塊所需的鎖不衝突時不用對整個對象加鎖。利用零長度的byte數組對象作obj很是經濟。

4 atomic action（原子操做）：

在JAVA中，如下兩點操做是原子操做。可是c和c++中並不如此。

第一點：對引用變量和除了long和double以外的原始數據類型變量進行讀寫。

第二點：對全部聲明爲volatile的變量（包括long和double）的讀寫。

另外：在java.util.concurrent和java.util.concurrent.atomic包中提供了一些不依賴於同步機制的線程安全的類和方法。

附錄:

進程間通訊

進程間通訊（IPC，Inter-Process Communication），指至少兩個進程或線程間傳送數據或信號的一些技術或方法。線程是計算機系統分配資源的最小單位。每一個進程都有本身的一部分獨立的系統資源，彼此是隔離的。爲了能使不一樣的進程互相訪問資源並進行協調工做，纔有了進程間通訊。這些進程能夠運行在同一計算機上或網絡鏈接的不一樣計算機上。

進程間通訊技術包括消息傳遞、同步、共享內存和遠程過程調用。IPC是一種標準的Unix通訊機制。

主要的IPC方法有

（1）管道（Pipe）：管道可用於具備親緣關係進程間的通訊，容許一個進程和另外一個與它有共同祖先的進程之間進行通訊。

　　（2）命名管道（named pipe）：命名管道克服了管道沒有名字的限制，所以，除具備管道所具備的功能外，它還容許無親緣關係進程間的通訊。命名管道在文件系統中有對應的文件名。命名管道經過命令mkfifo或系統調用mkfifo來建立。

　　（3）信號（Signal）：信號是比較複雜的通訊方式，用於通知接受進程有某種事件發生，除了用於進程間通訊外，進程還能夠發送信號給進程自己；linux除了支持Unix早期信號語義函數sigal外，還支持語義符合Posix.1標準的信號函數sigaction（實際上，該函數是基於BSD的，BSD爲了實現可靠信號機制，又可以統一對外接口，用sigaction函數從新實現了signal函數）。