在實現生產者消費者問題時,能夠採用三種方式:java
1.使用Object的wait/notify的消息通知機制;編程
2.使用Lock的Condition的await/signal的消息通知機制;多線程
3.使用BlockingQueue實現。本文主要將這三種實現方式進行總結概括。併發
Java 中,能夠經過配合調用 Object 對象的 wait() 方法和 notify()方法或 notifyAll() 方法來實現線程間的通訊。在線程中調用 wait() 方法,將阻塞當前線程,直至等到其餘線程調用了調用 notify() 方法或 notifyAll() 方法進行通知以後,當前線程才能從wait()方法出返回,繼續執行下面的操做。dom
waitide
該方法用來將當前線程置入休眠狀態,直到接到通知或被中斷爲止。在調用 wait()以前,線程必需要得到該對象的對象監視器鎖,即只能在同步方法或同步塊中調用 wait()方法。調用wait()方法以後,當前線程會釋放鎖。若是調用wait()方法時,線程並未獲取到鎖的話,則會拋出IllegalMonitorStateException異常,這是以個RuntimeException。若是再次獲取到鎖的話,當前線程才能從wait()方法處成功返回。post
notifyui
該方法也要在同步方法或同步塊中調用,即在調用前,線程也必需要得到該對象的對象級別鎖,若是調用 notify()時沒有持有適當的鎖,也會拋出 IllegalMonitorStateException。 該方法任意從WAITTING狀態的線程中挑選一個進行通知,使得調用wait()方法的線程從等待隊列移入到同步隊列中,等待有機會再一次獲取到鎖,從而使得調用wait()方法的線程可以從wait()方法處退出。調用notify後,當前線程不會立刻釋放該對象鎖,要等到程序退出同步塊後,當前線程纔會釋放鎖。this
notifyAll 該方法與 notify ()方法的工做方式相同,重要的一點差別是: notifyAll 使全部原來在該對象上 wait 的線程通通退出WAITTING狀態,使得他們所有從等待隊列中移入到同步隊列中去,等待下一次可以有機會獲取到對象監視器鎖。spa
1.notify早期通知
notify 通知的遺漏很容易理解,即 threadA 還沒開始 wait 的時候,threadB 已經 notify 了,這樣,threadB 通知是沒有任何響應的,當 threadB 退出 synchronized 代碼塊後,threadA 再開始 wait,便會一直阻塞等待,直到被別的線程打斷。好比在下面的示例代碼中,就模擬出notify早期通知帶來的問題:
public class EarlyNotify {
private static String lockObject = "";
public static void main(String[] args) {
WaitThread waitThread = new WaitThread(lockObject);
NotifyThread notifyThread = new NotifyThread(lockObject);
notifyThread.start();
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
waitThread.start();
}
static class WaitThread extends Thread {
private String lock;
public WaitThread(String lock) {
this.lock = lock;
}
@Override
public void run() {
synchronized (lock) {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 進去代碼塊");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 開始wait");
lock.wait();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 結束wait");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
static class NotifyThread extends Thread {
private String lock;
public NotifyThread(String lock) {
this.lock = lock;
}
@Override
public void run() {
synchronized (lock) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 進去代碼塊");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 開始notify");
lock.notify();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 結束開始notify");
}
}
}
}
複製代碼
示例中開啓了**兩個線程,一個是WaitThread,另外一個是NotifyThread。NotifyThread會先啓動,先調用notify方法。而後WaitThread線程才啓動,調用wait方法,可是因爲通知過了,wait方法就沒法再獲取到相應的通知,所以WaitThread會一直在wait方法出阻塞,這種現象就是通知過早的現象。**針對這種現象,解決方法,通常是添加一個狀態標誌,讓waitThread調用wait方法前先判斷狀態是否已經改變了沒,若是通知早已發出的話,WaitThread就再也不去wait。對上面的代碼進行更正:
public class EarlyNotify {
private static String lockObject = "";
private static boolean isWait = true;
public static void main(String[] args) {
WaitThread waitThread = new WaitThread(lockObject);
NotifyThread notifyThread = new NotifyThread(lockObject);
notifyThread.start();
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
waitThread.start();
}
static class WaitThread extends Thread {
private String lock;
public WaitThread(String lock) {
this.lock = lock;
}
@Override
public void run() {
synchronized (lock) {
try {
while (isWait) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 進去代碼塊");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 開始wait");
lock.wait();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 結束wait");
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
static class NotifyThread extends Thread {
private String lock;
public NotifyThread(String lock) {
this.lock = lock;
}
@Override
public void run() {
synchronized (lock) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 進去代碼塊");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 開始notify");
lock.notifyAll();
isWait = false;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 結束開始notify");
}
}
}
}
複製代碼
這段代碼只是增長了一個isWait
狀態變量,NotifyThread調用notify方法後會對狀態變量進行更新,在WaitThread中調用wait方法以前會先對狀態變量進行判斷,在該示例中,調用notify後將狀態變量isWait
改變爲false,所以,在WaitThread中while對isWait判斷後就不會執行wait方法,從而避免了Notify過早通知形成遺漏的狀況。
總結:在使用線程的等待/通知機制時,通常都要配合一個 boolean 變量值(或者其餘可以判斷真假的條件),在 notify 以前改變該 boolean 變量的值,讓 wait 返回後可以退出 while 循環(通常都要在 wait 方法外圍加一層 while 循環,以防止早期通知),或在通知被遺漏後,不會被阻塞在 wait 方法處。這樣便保證了程序的正確性。
2.等待wait的條件發生變化
若是線程在等待時接受到了通知,可是以後等待的條件發生了變化,並無再次對等待條件進行判斷,也會致使程序出現錯誤。
下面用一個例子來講明這種狀況
public class ConditionChange {
private static List<String> lockObject = new ArrayList();
public static void main(String[] args) {
Consumer consumer1 = new Consumer(lockObject);
Consumer consumer2 = new Consumer(lockObject);
Productor productor = new Productor(lockObject);
consumer1.start();
consumer2.start();
productor.start();
}
static class Consumer extends Thread {
private List<String> lock;
public Consumer(List lock) {
this.lock = lock;
}
@Override
public void run() {
synchronized (lock) {
try {
//這裏使用if的話,就會存在wait條件變化形成程序錯誤的問題
if (lock.isEmpty()) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " list爲空");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 調用wait方法");
lock.wait();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " wait方法結束");
}
String element = lock.remove(0);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 取出第一個元素爲:" + element);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
static class Productor extends Thread {
private List<String> lock;
public Productor(List lock) {
this.lock = lock;
}
@Override
public void run() {
synchronized (lock) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 開始添加元素");
lock.add(Thread.currentThread().getName());
lock.notifyAll();
}
}
}
}
會報異常:
Exception in thread "Thread-1" Thread-0 list爲空
Thread-0 調用wait方法
Thread-1 list爲空
Thread-1 調用wait方法
Thread-2 開始添加元素
Thread-1 wait方法結束
java.lang.IndexOutOfBoundsException: Index: 0, Size: 0
複製代碼
異常緣由分析:在這個例子中一共開啓了3個線程,Consumer1,Consumer2以及Productor。首先Consumer1調用了wait方法後,線程處於了WAITTING狀態,而且將對象鎖釋放出來。所以,Consumer2可以獲取對象鎖,從而進入到同步代塊中,當執行到wait方法時,一樣的也會釋放對象鎖。所以,productor可以獲取到對象鎖,進入到同步代碼塊中,向list中插入數據後,經過notifyAll方法通知處於WAITING狀態的Consumer1和Consumer2線程。consumer1獲得對象鎖後,從wait方法出退出,刪除了一個元素讓List爲空,方法執行結束,退出同步塊,釋放掉對象鎖。這個時候Consumer2獲取到對象鎖後,從wait方法退出,繼續往下執行,這個時候Consumer2再執行lock.remove(0);
就會出錯,由於List因爲Consumer1刪除一個元素以後已經爲空了。
**解決方案:**經過上面的分析,能夠看出Consumer2報異常是由於線程從wait方法退出以後沒有再次對wait條件進行判斷,所以,此時的wait條件已經發生了變化。解決辦法就是,在wait退出以後再對條件進行判斷便可。
public class ConditionChange {
private static List<String> lockObject = new ArrayList();
public static void main(String[] args) {
Consumer consumer1 = new Consumer(lockObject);
Consumer consumer2 = new Consumer(lockObject);
Productor productor = new Productor(lockObject);
consumer1.start();
consumer2.start();
productor.start();
}
static class Consumer extends Thread {
private List<String> lock;
public Consumer(List lock) {
this.lock = lock;
}
@Override
public void run() {
synchronized (lock) {
try {
//這裏使用if的話,就會存在wait條件變化形成程序錯誤的問題
while (lock.isEmpty()) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " list爲空");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 調用wait方法");
lock.wait();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " wait方法結束");
}
String element = lock.remove(0);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 取出第一個元素爲:" + element);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
static class Productor extends Thread {
private List<String> lock;
public Productor(List lock) {
this.lock = lock;
}
@Override
public void run() {
synchronized (lock) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 開始添加元素");
lock.add(Thread.currentThread().getName());
lock.notifyAll();
}
}
}
}
複製代碼
上面的代碼與以前的代碼僅僅只是將 wait 外圍的 if 語句改成 while 循環便可,這樣當 list 爲空時,線程便會繼續等待,而不會繼續去執行刪除 list 中元素的代碼。
總結:在使用線程的等待/通知機制時,通常都要在 while 循環中調用 wait()方法,所以xuy配合使用一個 boolean 變量(或其餘能判斷真假的條件,如本文中的 list.isEmpty()),知足 while 循環的條件時,進入 while 循環,執行 wait()方法,不知足 while 循環的條件時,跳出循環,執行後面的代碼。
3. 「假死」狀態
現象:若是是多消費者和多生產者狀況,若是使用notify方法可能會出現「假死」的狀況,即喚醒的是同類線程。
緣由分析:假設當前多個生產者線程會調用wait方法阻塞等待,當其中的生產者線程獲取到對象鎖以後使用notify通知處於WAITTING狀態的線程,若是喚醒的仍然是生產者線程,就會形成全部的生產者線程都處於等待狀態。
解決辦法:將notify方法替換成notifyAll方法,若是使用的是lock的話,就將signal方法替換成signalAll方法。
總結
在Object提供的消息通知機制應該遵循以下這些條件:
基本的使用範式以下:
// The standard idiom for calling the wait method in Java
synchronized (sharedObject) {
while (condition) {
sharedObject.wait();
// (Releases lock, and reacquires on wakeup)
}
// do action based upon condition e.g. take or put into queue
}
複製代碼
利用wait/notifyAll實現生產者和消費者代碼以下:
public class ProductorConsumer {
public static void main(String[] args) {
LinkedList linkedList = new LinkedList();
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(15);
for (int i = 0; i < 5; i++) {
service.submit(new Productor(linkedList, 8));
}
for (int i = 0; i < 10; i++) {
service.submit(new Consumer(linkedList));
}
}
static class Productor implements Runnable {
private List<Integer> list;
private int maxLength;
public Productor(List list, int maxLength) {
this.list = list;
this.maxLength = maxLength;
}
@Override
public void run() {
while (true) {
synchronized (list) {
try {
while (list.size() == maxLength) {
System.out.println("生產者" + Thread.currentThread().getName() + " list以達到最大容量,進行wait");
list.wait();
System.out.println("生產者" + Thread.currentThread().getName() + " 退出wait");
}
Random random = new Random();
int i = random.nextInt();
System.out.println("生產者" + Thread.currentThread().getName() + " 生產數據" + i);
list.add(i);
list.notifyAll();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
static class Consumer implements Runnable {
private List<Integer> list;
public Consumer(List list) {
this.list = list;
}
@Override
public void run() {
while (true) {
synchronized (list) {
try {
while (list.isEmpty()) {
System.out.println("消費者" + Thread.currentThread().getName() + " list爲空,進行wait");
list.wait();
System.out.println("消費者" + Thread.currentThread().getName() + " 退出wait");
}
Integer element = list.remove(0);
System.out.println("消費者" + Thread.currentThread().getName() + " 消費數據:" + element);
list.notifyAll();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
}
輸出結果:
生產者pool-1-thread-1 生產數據-232820990
生產者pool-1-thread-1 生產數據1432164130
生產者pool-1-thread-1 生產數據1057090222
生產者pool-1-thread-1 生產數據1201395916
生產者pool-1-thread-1 生產數據482766516
生產者pool-1-thread-1 list以達到最大容量,進行wait
消費者pool-1-thread-15 退出wait
消費者pool-1-thread-15 消費數據:1237535349
消費者pool-1-thread-15 消費數據:-1617438932
消費者pool-1-thread-15 消費數據:-535396055
消費者pool-1-thread-15 消費數據:-232820990
消費者pool-1-thread-15 消費數據:1432164130
消費者pool-1-thread-15 消費數據:1057090222
消費者pool-1-thread-15 消費數據:1201395916
消費者pool-1-thread-15 消費數據:482766516
消費者pool-1-thread-15 list爲空,進行wait
生產者pool-1-thread-5 退出wait
生產者pool-1-thread-5 生產數據1442969724
生產者pool-1-thread-5 生產數據1177554422
生產者pool-1-thread-5 生產數據-133137235
生產者pool-1-thread-5 生產數據324882560
生產者pool-1-thread-5 生產數據2065211573
生產者pool-1-thread-5 生產數據253569900
生產者pool-1-thread-5 生產數據571277922
生產者pool-1-thread-5 生產數據1622323863
生產者pool-1-thread-5 list以達到最大容量,進行wait
消費者pool-1-thread-10 退出wait
複製代碼
參照Object的wait和notify/notifyAll方法,Condition也提供了一樣的方法:
針對wait方法
void await() throws InterruptedException:當前線程進入等待狀態,若是其餘線程調用condition的signal或者signalAll方法而且當前線程獲取Lock從await方法返回,若是在等待狀態中被中斷會拋出被中斷異常;
long awaitNanos(long nanosTimeout):當前線程進入等待狀態直到被通知,中斷或者超時;
boolean await(long time, TimeUnit unit)throws InterruptedException:同第二種,支持自定義時間單位
boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException:當前線程進入等待狀態直到被通知,中斷或者到了某個時間
針對notify方法
void signal():喚醒一個等待在condition上的線程,將該線程從等待隊列中轉移到同步隊列中,若是在同步隊列中可以競爭到Lock則能夠從等待方法中返回。
void signalAll():與1的區別在於可以喚醒全部等待在condition上的線程
也就是說wait--->await,notify---->Signal。另外,關於lock中condition消息通知的原理解析能夠看這篇文章。
若是採用lock中Conditon的消息通知原理來實現生產者-消費者問題,原理同使用wait/notifyAll同樣。直接上代碼:
public class ProductorConsumer {
private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private static Condition full = lock.newCondition();
private static Condition empty = lock.newCondition();
public static void main(String[] args) {
LinkedList linkedList = new LinkedList();
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(15);
for (int i = 0; i < 5; i++) {
service.submit(new Productor(linkedList, 8, lock));
}
for (int i = 0; i < 10; i++) {
service.submit(new Consumer(linkedList, lock));
}
}
static class Productor implements Runnable {
private List<Integer> list;
private int maxLength;
private Lock lock;
public Productor(List list, int maxLength, Lock lock) {
this.list = list;
this.maxLength = maxLength;
this.lock = lock;
}
@Override
public void run() {
while (true) {
lock.lock();
try {
while (list.size() == maxLength) {
System.out.println("生產者" + Thread.currentThread().getName() + " list以達到最大容量,進行wait");
full.await();
System.out.println("生產者" + Thread.currentThread().getName() + " 退出wait");
}
Random random = new Random();
int i = random.nextInt();
System.out.println("生產者" + Thread.currentThread().getName() + " 生產數據" + i);
list.add(i);
empty.signalAll();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
}
static class Consumer implements Runnable {
private List<Integer> list;
private Lock lock;
public Consumer(List list, Lock lock) {
this.list = list;
this.lock = lock;
}
@Override
public void run() {
while (true) {
lock.lock();
try {
while (list.isEmpty()) {
System.out.println("消費者" + Thread.currentThread().getName() + " list爲空,進行wait");
empty.await();
System.out.println("消費者" + Thread.currentThread().getName() + " 退出wait");
}
Integer element = list.remove(0);
System.out.println("消費者" + Thread.currentThread().getName() + " 消費數據:" + element);
full.signalAll();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
}
}
輸出結果:
消費者pool-1-thread-9 消費數據:1146627506
消費者pool-1-thread-9 消費數據:1508001019
消費者pool-1-thread-9 消費數據:-600080565
消費者pool-1-thread-9 消費數據:-1000305429
消費者pool-1-thread-9 消費數據:-1270658620
消費者pool-1-thread-9 消費數據:1961046169
消費者pool-1-thread-9 消費數據:-307680655
消費者pool-1-thread-9 list爲空,進行wait
消費者pool-1-thread-13 退出wait
消費者pool-1-thread-13 list爲空,進行wait
消費者pool-1-thread-10 退出wait
生產者pool-1-thread-5 退出wait
生產者pool-1-thread-5 生產數據-892558288
生產者pool-1-thread-5 生產數據-1917220008
生產者pool-1-thread-5 生產數據2146351766
生產者pool-1-thread-5 生產數據452445380
生產者pool-1-thread-5 生產數據1695168334
生產者pool-1-thread-5 生產數據1979746693
生產者pool-1-thread-5 生產數據-1905436249
生產者pool-1-thread-5 生產數據-101410137
生產者pool-1-thread-5 list以達到最大容量,進行wait
生產者pool-1-thread-1 退出wait
生產者pool-1-thread-1 list以達到最大容量,進行wait
生產者pool-1-thread-4 退出wait
生產者pool-1-thread-4 list以達到最大容量,進行wait
生產者pool-1-thread-2 退出wait
生產者pool-1-thread-2 list以達到最大容量,進行wait
生產者pool-1-thread-3 退出wait
生產者pool-1-thread-3 list以達到最大容量,進行wait
消費者pool-1-thread-9 退出wait
消費者pool-1-thread-9 消費數據:-892558288
複製代碼
因爲BlockingQueue內部實現就附加了兩個阻塞操做。即當隊列已滿時,阻塞向隊列中插入數據的線程,直至隊列中未滿;當隊列爲空時,阻塞從隊列中獲取數據的線程,直至隊列非空時爲止。關於BlockingQueue更多細節能夠看這篇文章。能夠利用BlockingQueue實現生產者-消費者爲題,阻塞隊列徹底能夠充當共享數據區域,就能夠很好的完成生產者和消費者線程之間的協做。
public class ProductorConsumer {
private static LinkedBlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<>();
public static void main(String[] args) {
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(15);
for (int i = 0; i < 5; i++) {
service.submit(new Productor(queue));
}
for (int i = 0; i < 10; i++) {
service.submit(new Consumer(queue));
}
}
static class Productor implements Runnable {
private BlockingQueue queue;
public Productor(BlockingQueue queue) {
this.queue = queue;
}
@Override
public void run() {
try {
while (true) {
Random random = new Random();
int i = random.nextInt();
System.out.println("生產者" + Thread.currentThread().getName() + "生產數據" + i);
queue.put(i);
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
static class Consumer implements Runnable {
private BlockingQueue queue;
public Consumer(BlockingQueue queue) {
this.queue = queue;
}
@Override
public void run() {
try {
while (true) {
Integer element = (Integer) queue.take();
System.out.println("消費者" + Thread.currentThread().getName() + "正在消費數據" + element);
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
輸出結果:
消費者pool-1-thread-7正在消費數據1520577501
生產者pool-1-thread-4生產數據-127809610
消費者pool-1-thread-8正在消費數據504316513
生產者pool-1-thread-2生產數據1994678907
消費者pool-1-thread-11正在消費數據1967302829
生產者pool-1-thread-1生產數據369331507
消費者pool-1-thread-9正在消費數據1994678907
生產者pool-1-thread-2生產數據-919544017
消費者pool-1-thread-12正在消費數據-127809610
生產者pool-1-thread-4生產數據1475197572
消費者pool-1-thread-14正在消費數據-893487914
生產者pool-1-thread-3生產數據906921688
消費者pool-1-thread-6正在消費數據-1292015016
生產者pool-1-thread-5生產數據-652105379
生產者pool-1-thread-5生產數據-1622505717
生產者pool-1-thread-3生產數據-1350268764
消費者pool-1-thread-7正在消費數據906921688
生產者pool-1-thread-4生產數據2091628867
消費者pool-1-thread-13正在消費數據1475197572
消費者pool-1-thread-15正在消費數據-919544017
生產者pool-1-thread-2生產數據564860122
生產者pool-1-thread-2生產數據822954707
消費者pool-1-thread-14正在消費數據564860122
消費者pool-1-thread-10正在消費數據369331507
生產者pool-1-thread-1生產數據-245820912
消費者pool-1-thread-6正在消費數據822954707
生產者pool-1-thread-2生產數據1724595968
生產者pool-1-thread-2生產數據-1151855115
消費者pool-1-thread-12正在消費數據2091628867
生產者pool-1-thread-4生產數據-1774364499
生產者pool-1-thread-4生產數據2006106757
消費者pool-1-thread-14正在消費數據-1774364499
生產者pool-1-thread-3生產數據-1070853639
消費者pool-1-thread-9正在消費數據-1350268764
消費者pool-1-thread-11正在消費數據-1622505717
生產者pool-1-thread-5生產數據355412953
複製代碼
能夠看出,使用BlockingQueue來實現生產者-消費者很簡潔,這正是利用了BlockingQueue插入和獲取數據附加阻塞操做的特性。
關於生產者-消費者實現的三中方式,到這裏就所有總結出來,若是以爲不錯的話,請點贊,也算是給個人鼓勵,在此表示感謝!