java多线程之——生产者和消费者(详解及提高)

前情引入

做一些简单的认识和告知一些前置知识

简单介绍

生产者和消费者是一种特殊的业务需求的抽象，这种业务就是：需求和供给达到平衡关系，生产一个，就消费一个，或者是生产一部分，就消费一部分。

利用多线程，可以对这种业务需求进行简单的模拟和实现，主要是利用Object中的wait方法和notify方法。

注意，不能同时生产和消费，因为在多线程下，对共享的数据进行了修改，必须使用同步机制，不然会出现数据安全问题。

预备知识

首先对java中的多线程，有一定的认识。

再者呢，就是Object中的wait方法和notify方法的作用。

void wait()：在其他线程调用此对象的 notify() 方法或 notifyAll() 方法前，导致当前线程等待。简单来说，就是让当前线程进入阻塞，直到被唤醒，并且会释放调用当前线程占用的对象锁。
void notify() ：唤醒在此对象监视器上等待的单个线程。如果所有线程都在此对象上等待，则会选择唤醒其中一个线程。选择是任意性的，并在对实现做出决定时发生。线程通过调用其中一个 wait 方法，在对象的监视器上等待。简单来说，就是唤醒被wait方法进入阻塞的线程。
注意：这两个方法都只能在同步代码块（包括同步方法）中使用
顺带提一点，sleep虽然也能使当前线程进入阻塞状态，但是是不会释放锁和资源的。

代码及详解

先上代码，再基本详解，最后再提高。

简单代码

import java.util.ArrayList;//使用wait和notify实现生产者和消费者模式
public class PCMode1
{public static void main(String[] args){ArrayList<Object> arrayList = new ArrayList<>();new Thread(new Producer1(arrayList), "Producer").start();new Thread(new Consumer1(arrayList), "Consumer").start();}
}@SuppressWarnings("all")
class Producer1 implements Runnable
{private final ArrayList arrayList;public Producer1(ArrayList arrayList){this.arrayList = arrayList;}@Overridepublic void run(){while (true){synchronized (arrayList){System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"抢到了对象锁");if (arrayList.size() > 0){System.out.println("已有食物，请消费者消费！");System.out.println();try{ arrayList.wait(); } catch (InterruptedException e){ e.printStackTrace(); }} else{arrayList.add(0,"a");try{ Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e){ e.printStackTrace(); }System.out.println("已生产食物，请消费者消费！");arrayList.notify();}}}}
}@SuppressWarnings("all")
class Consumer1 implements Runnable
{private final ArrayList arrayList;public Consumer1(ArrayList arrayList){ this.arrayList = arrayList; }@Overridepublic void run(){while (true){synchronized (arrayList){System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"抢到了对象锁");if (arrayList.size()>0){arrayList.remove(0);try{ Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException e){ e.printStackTrace(); }System.out.println("消费者消费了一个食物，请生产者生产！");arrayList.notify();} else{System.out.println("没有食物，请生产者生产！！");System.out.println();try{ arrayList.wait(); }catch (InterruptedException e){ e.printStackTrace(); }}}}}
}

@SuppressWarnings(“all”) 这个注解是为了去掉代码中那些难看的提示，可以直接忽略。

能看懂的话，那就是大佬咯，大佬可以看看后面的提高。看不懂也没关系，我们来一步一步的分析。

基本解释

我把三个类写在一个java文件中的，一个是测试类，另外两个，分别是生产者线程类和消费者线程类。测试类就是公共类，其中有main方法，用来测试用的，没啥好说的，主要是两个线程类。

先说一下大概的思路，两个线程类里都一个ArrayList类型的变量，这两个线程都是共享的同一个变量，这就是那个共享的数据。

简单起见，我模拟的是生产一个，消费一个的情况。我将这个ArrayList作为一个容器，生产者每生产一个食物，就放进这个容器，然后等消费者来消费，消费一个之后，生产者又进行生产，如此往复……

生产者线程类

Producer1是生产者线程，之前说了，有一个ArrayList类型的成员变量，构造方法是为了给这个变量赋值。

重写线程任务的run方法，先来一个while(true)死循环，意思就是，生产者线程一直生产。然后是synchronized同步代码块，因为是对共享的数据进行修改操作，所以要使用同步机制，来保证数据的安全，synchronized的锁对象就是共享的对象：arrayList。synchronized的对象选取原则就是：想要那些线程排队执行，就选择一个这些线程共享的对象

进入synchronized代码块中做的第一件事情，我先打印了一句话，方便后面观察控制台的输出情况，然后是正事。

我们要进行生产，首先第一件要做的事情是什么？当然是判断arrayList这个容器里是不是已经有食物了。如果已经有食物了，咱就不能生产，得让消费者来消费是吧。如果没有，咱们才能生产食物，并且添加到容器。

34行到42行，就是容器中存在食物的逻辑，先打印提示语句，然后用arrayList这个对象调用wait方法。还记得这个方法的作用吗？会让当前线程进入阻塞，并且会释放占用的对象锁。释放了对象锁，那么消费者线程就可能拿到对象锁，然后进行消费。当然，我这里只说了一个大概，具体细节后面再分析。

43行到53行，就是容器中不存在食物，我们生产食物并添加进容器的逻辑。就是往arrayList中添加一个元素，然后模拟一下生产的消耗时间（主要是为控制台输出可控，不然控制台飞一般的跑），再打印提示信息，最后再调用arrayList的notify方法。还记得这个方法的作用吗？唤醒在此对象监视器上等待的单个线程。那此时谁在arrayList对象上等待呢？我们当前生产者线程在执行，那么肯定就是消费者线程进入了阻塞状态撒。而调用这个方法，就可以唤醒消费者线程，进行消费。

消费者线程类

消费者线程类的处理逻辑和生产者线程非常类似，只是处理的业务不同，一个是进行生产的，一个是进行消费的，我们来简单的过一遍。

一样的代码就不说了，一样的意思。
76行到85行，是容器中存在食物，进行消费的逻辑，先将容器中这个食物移除，然后在模拟一下耗时，最后调用arrayList的notify方法，因为我们已经消费了容器里的食物，现在要通知在等待中的生产者生产了。

87行到94行，是容器中不存食物的处理逻辑，很简单，打印控制信息，然后调用arrayList对象的wait方法，让当线程进入等待状态，等待生产者生产。

测试类

测试类里，就是创建了两个线程对象，然后将生产者线程和消费线程传了进去，然后启动。其实就算这样挨着挨着分析了代码，可能能还是会不清楚，我觉得最好的办法是：自己来跟着代码走一遍流程，我自己屡试不爽，我们一起来走走吧

执行流程

程序的执行从main函数开始，我先new了一个生产者线程并且启动，所以是生产者先抢到了arrayList的对象锁，然后开始生产食物……不对，虽然生产者线程先启动，但是如果在生产者线程还没有进入同步代码块，也就是还没有拿到arrayList的对象锁时，有没有可能消费者线程就启动了，并且拿到了CPU的执行权，先拿到了arrayList的对象锁呢？其实是完全有可能的，因为在没有进入同步代码块的时候，两个线程是共同抢夺CPU的执行权的，先启动的，不一定就能占到便宜。
那怎么办呢？我生产者还没生产呢，消费者就来消费了。别急，假设消费者先拿到了arrayList的对象锁，我们就随着消费者线程的逻辑往下走，进入了消费者线程，经过条件判断，直接就进入了else分支里，因为此时容器里是没有食物的，然后它干了一件什么事情？原地wait，直接就原地阻塞，而且还将拿到的对象锁给释放了。那生产者呢？开始arrayList的对象锁被消费者给拿走了，它肯定就一直在自己线程里的synchronized代码块外面等待，拿不到对象锁，它只能在synchronized代码块外面等待。它肯定在想，是哪个个天杀的，抢了我的对象锁，害我一直在这里等。消费者一旦释放了锁，而且此时消费者本身进入了阻塞状态，不会和生产者去抢arrayList的对象锁，所以一定是生产者拿到对象锁，然后进入synchronized代码块生产食物。
生产者线程拿到对象锁之后，就美滋滋的去生产食物去了，那是它存在的唯一使命。它还是很严谨的，先判断容器中是否已经存在食物，呀，没有，就进入了else分支了，先生产了一个食物，将其存入了容器中，然后再用notify方法唤醒了正在arrayList对象上等待的线程，然后自己再退出了同步代码块，释放了对象锁。（退出synchronized代码块，也是会释放锁的！）
消费者被唤醒了，而且生产者释放了arrayList的对象锁，消费者终于可拿到对象锁，并且大吃特吃了。但是作为程序出生的吃货，虽然爱吃，但是也是严谨的。它也是先判断容器中是否有食物，没有的话，那还瞎费什么劲呢，赶紧睡一觉(wait方法)，让生产者那家伙生产。但是这次它运气不错，容器里是有食物的，然后它饱餐了一顿，然后再用同样的方法(notify)唤醒正在arrayList对象上等待的线程，自己退出synchronized代码块的时候，将锁给释放了。
生产者又拿到对象锁了，……如此往复

当然，我这里只说了大致的流程，有疑惑的小伙伴可以多分析几遍。还有一些细节，我们在提高中分析。

控制台输出

为了看到效果，在运行的时候，我特意将消费者线程的创建放在前面的，让它先抢到对象锁的概率大一些。

自我提高

问题一

生产者/消费者释放了锁之后，可以再次拿到锁吗？再次拿到，会有什么影响吗？再次拿到的概率如何？为什么？

我的意思就是，在上面执行流程中第三步中，生产者最后将对象锁释放了，而且自己退出了synchronized代码块。但是别忘了，虽然生产者线程退出了同步代码块，但它还是一个正常执行的线程，并没有进入阻塞状态，它还是会和消费者抢锁的。

那会不会有问题？生产了之后生产者又抢到了锁。其实不会，就和我们在在执行流程第二步中的分析类似，即便生产者再次抢到了锁，但是此时容器中已经有食物了，它抢到了也会调用wait方法进入阻塞状态。生产者它此时的内心活动一定是：我靠，消费者那家伙还没吃？动作真慢，那我再睡会吧。然后消费者就能拿到对象锁，进行消费了。消费者再次抢到锁，情况也是类似，消费者前一次已经将食物消费了，再次抢到锁，发容器中已经没有食物了，就会调用arrayList对象wait方法，进入阻塞，释放锁。

其实上面程序的输出结果，也佐证了这一点。生产者总是在生产之后再次在控制台打印“已有食物，请消费者消费！”，消费者总是在消费之后，再次在控制台打印“没有食物，请生产者生产！！”，这其实就是因为再次抢到了锁，被wait方法进入阻塞之前打印的信息。

但是如果仔细分析，就会发现有问题。为什么每次都会再次抢到锁？每次都是，生产者先生产了一个食物，然后它再次抢到锁，再打印已有食物的提示信息。或者是，消费者先消费了一个食物，然后再次抢到了锁，并且打印没有食物的提示信息。这是为什么呢？按道理来说，他们俩都是有机会抢到锁的，为什么总是一个抢到两次，直到它自己被wait方法阻塞了，另一个线程才有执行的机会？如果你多刷几遍，可能会发现，偶尔一次，另一个还是后可能抢到锁的，只不过几率很小很小，以至于我一开始都怀疑我的代码有问题。

特意找到了这种情况，截图如下：（代码是上面的代码，没有动过哦）

要解释这个问题，就需要仔细分析wait和notify方法的执行时机了，也就是第二个问题，往下面看。

问题二

生产者/消费者被唤醒了之后，是马上就执行的吗？

我们思考一个场景：假设容器里现在是有食物的，生产者在31行阻塞，消费者拿到锁在执行。当消费者消费了食物之后，它就调用了arrayList对象的notify方法，之前被wait方法阻塞的生产者线程，此时就被唤醒了。那么问题就来了：消费者线程在执行，生产者线程也被唤醒了，就有两个线程同时在使用了共享对象的synchronized代码块里面。

那么，synchronized还有用吗？还能保证共享数据的安全吗？java的设计者肯定不会允许这样的事情发生。我做了简单的测试，得出了结论：即便唤醒了arrayList对象上等待的线程，但是被唤醒的线程并不会第一时间执行，而是等待当前线程执行完毕，被唤醒的那个线程才可以继续执行。应该是，即便等待的线程被唤醒了，但是锁时被当前的线程占用着的，被唤醒的那个线程拿不到锁，所以无法执行。

也就是说，即便生产者将消费者唤醒了，但是由于arrayList的对象锁是在生产者手上的，所以消费者不能第一时间执行，必须等生产者自动退出了synchronized代码块，将锁给释放了，被唤醒的那个线程才能继续从上次等待的那个位置继续执行。所以，为什么两个线程连续抢到的概率为什么那么大的疑问，也能解释了。

因为当前线程将另外一个线程唤醒了之后，当前线程会继续执行，直到退出了synchronized代码块，退出了synchronized代码块，那么被唤醒的那个线程就会接着上次等待的地方继续执行，但是别人在执行的时候，当前这个线程也没闲着呀，他自己也会自己继续执行，直到再次遇到了synchronized关键字，此时arrayList的对象锁在被唤醒的那个线程手上，当前线程就只能卡在synchronized关键字这里。但是被唤醒那个线程马上就会退出synchronized代码块，一旦退出，由于当前线程之前就已经卡synchronized关键字这里了，所以当前线程马上就能获取到arrayList的对象锁，直到当前线程被wait方法给阻塞了，才没有能力去抢那个锁了。

那为什么有会出现，不是一个线程连续两次抢到锁，别的线程也能在中间抢到锁呢？这是因为java中的线程调度用的是抢占式，这个东西就和玄学一样，谁能抢到，不能确定。所以可能被唤醒的那个线程抢夺能力很强，从他被唤醒并且当前线程释放了对象锁之后，他一直在占用CPU的执行权，没有给当前线程留时间，被唤醒的那个线程就抢到了锁，但是这种几率很小，除非是刻意的去制造，增大概率。

升级代码

import java.util.Random;@SuppressWarnings("all")
public class PCMode
{public static void main(String[] args){Bun[] buns = new Bun[4];new Thread(new Consumer(buns),"consumer").start();new Thread(new Producer(buns),"producer").start();}
}@SuppressWarnings("all")
class Producer implements Runnable
{private Bun [] buns;private Random random = new Random();private String[] skins = {"冰皮儿","薄皮儿","厚皮儿"};private String[] stuffings = {"牛肉馅儿","大葱馅儿","韭菜馅儿","酱肉馅儿"};public Producer() { }public Producer(Bun[] buns){ this.buns = buns; }// 生产者生产包子@Overridepublic void run(){while (true)//死循环，一直生产{synchronized (buns)//涉及到了共享的成员变量，而且要对其修改，所以要用同步机制{System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"抢到了对象锁");boolean isFull = true;//用来标记包子库是否已满for (int i = 0; i < buns.length;i++ )//尝试生产包子并将包子存入包子库{//如果有空位就可以生产包子并且存入if (buns[i] == null){isFull = false;//生产一个包子，随机馅儿和皮Bun bun = new Bun(skins[random.nextInt(skins.length)],stuffings[random.nextInt(stuffings.length)]);buns[i] = bun;//将该空位置上加上包子//模拟产生包子的耗时int time = random.nextInt(5);try{Thread.sleep(time*100);System.out.println("生产者生产一个“"+bun.toString()+"”，耗时："+time+"百毫秒");//每生产一个包子，都唤醒包子库对象上所有的等待线程。分析和下面消费者的类似buns.notify();} catch (InterruptedException e){ e.printStackTrace(); }}}/*这里的分析和消费者那里类似，如果包子库已经满了，就自己进入等待状态，并且释放包子库对象上的锁。让消费者来执行*/if (isFull){try{System.out.println("包子铺满了，吃货快来吃！");System.out.println();buns.wait();//自己进入等待状态}catch (InterruptedException e){ e.printStackTrace(); }}}}}
}//生产者线程
@SuppressWarnings("all")
class Consumer implements Runnable
{private Bun [] buns; //包子库private Random random = new Random();public Consumer() { }public Consumer(Bun[] buns){ this.buns = buns; }//尝试消费包子@Overridepublic void run(){Bun bun = null;while (true) //死循环，一直消费{synchronized (buns)//涉及到了共享的成员变量，而且要对其修改，所以要用同步机制{System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"抢到了对象锁");boolean isEmpty = true;//用来标记包子库是否为空for (int i = 0; i < buns.length; i++)//遍历包子库，消费包子{if (buns[i] != null)//不为null，就说明有包子，进行消费{isEmpty = false;//将标记标为falsebun = buns[i];//后面要用到这个包子对象buns[i] = null;//包子消费后，将其置为null//模拟消耗包子的耗时int time = random.nextInt(5);try{Thread.sleep(time * 100);System.out.println("消费者消费了一个“" + bun.toString() + "”，耗时：" + time + "百毫秒");}catch (InterruptedException e){ e.printStackTrace(); }/*每次消费一个包子后，都唤醒在仓库对象上等待的线程，但是由于对象锁还在当前线程，所以其他线程是不会执行的。当当前先线程跳出了synchronized代码块时,就将对象锁释放了，而生产者线程也是被唤醒了的，所以有可能也会抢到对象锁，但是抢到了也没事，因为条件判断又会使其进入等待，并且释放锁。但是不知道为什么，这种可能性很小很小，我刻意找了很久，只找到了一次*/buns.notify();}}/*如果一个包子都没有，自己进入等待状态。由于每次消费一个包子后，都唤醒了包子库对象上的所有线程，所以生产者线程早就在等待了。一旦当前线程（消费者线程）使用wait方法，释放了锁，并且自己进入了等待状态，立马就被生产者线程抢到。*/if (isEmpty){try{System.out.println("老板没包子了，快做包子！");System.out.println();buns.wait();}catch (Exception e){ e.printStackTrace(); }}}}}
}//包子类
@SuppressWarnings("all")
class Bun
{private String skin;//包子皮儿private String stuffing;//包子馅儿public Bun() { }public Bun(String skin, String stuffing){this.skin = skin;this.stuffing = stuffing;}public String getSkin(){ return skin; }public void setSkin(String skin){ this.skin = skin; }public String getStuffing(){ return stuffing; }public void setStuffing(String stuffing){ this.stuffing = stuffing; }@Overridepublic String toString(){ return skin+stuffing+"包子"; }
}

升级代码中，增加了仓库的容量，并且生产的时候，变成了随机生产的，模拟时间消耗也变成了随机性的。但其实核心的逻辑和最开始的是一样的，我这里就不分析了，大家有兴趣的可以去分析一下，我代码中写了很多注释，方便大家分析。

运行结果

在这个程序中，想去找那种特殊情况，就很难找了。

总结

模拟生产者和消费者，要记住几个要点

while(true)死循环，因为生产者要一直生产，消费者要一直消费。
synchronized，同步代码块，因为要对共享的数据进行修改，必须使用同步机制，而且wait和notify只能在同步代码块中使用。注意要用两个线程共享的对象，不用arrayList，用其他两个线程共享的对象也是可以的。比如用所有线程都共享的字符串，如果用字符串，那wait和notify方法也需要用那个字符串对象去调用。
还有一个很重要，但是不容易把握的要点，我详细说一下：就是wait方法和notify方法该在什么时候调用。比如说，我是生产者线程，根据容器里是否有食物，有两种状态，有或者没有。如果已经有，我该用wait方法阻塞当前线程，释放资源？还是该用notify方法唤醒在等待的线程呢？
如果仅仅从字面上分析：如果已经有食物了，那我就自己就进入阻塞，释放锁对象。或者如果已经有食物了，我就唤醒在等待的线程(消费者线程)。两者好像都说得通。那如果没有呢，我生产一个食物存入容器之后，又该用那个方法呢？好像也都能说得通。
针对这种情况，我发现了一个诀窍：要保证两次被同一个线程抢到了对象锁时，这个线程要进入阻塞状态，。我们再来分析上面的疑惑，如果是生产者，在容器中有没有食物的情况下，我调用了wait方法，将当前线程进入了阻塞状态。那么如果生产者两次抢到了对象锁，第二次进入的时候，容器里已经有食物了，因为第一次会生产并存入。那么第二次就不会进入“容器中没有食物”的那个选项，也就不能进入阻塞。所以我们选择在有食物的情况下，使用wait方法，进入阻塞状态。然后在另一种情况下，选择用notify方法唤醒等待的线程。消费者也可以用类似的方法判断。这种方法是可取的，但是不知道是否有其它更好的办法。

另外还有一点就是：当某个线程被另一个线程唤醒了，此时两个线程会在由同一个对象作锁的两个synchronized代码块里面，但是这两个线程并不会同时执行(同时执行的话，就可能会出现线程安全问题，那么synchronized也没有意义了)，情况是：被唤醒的那个线程并不会第一时间执行，而是主动唤醒别的线程的那个线程先执行，直到释放了锁，被唤醒的那个线程才会接着上次休眠的地方继续执行。

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