十、生产者消费者问题

一、生产者消费者问题

1. 问题

假设仓库中只能放一件产品，生产者将生产出来的产品放入仓库，消费者将仓库中的产品取走消费
如果仓库中没有产品，则生产者将产品放入仓库。否则停止生产并等待，直到仓库中的产品被消费者取走为止
如果仓库中放有产品，则消费者可以将产品取走消费，否则停止消费并等待，直到仓库中再次放入产品为止

2. 分析

生产者和消费者共享同一个资源，并且两者之间相互依赖，互为条件

对于生产者，没有生产产品之前要通知消费者等待。而生产了产品之后又需要立即通知消费者
对于消费者，在消费之后要通知生产者已经结束消费，需要生产新的产品
在生产者消费者问题中，仅有synchronized是不够的
- synchronized可阻止并发更新同一个共享资源，实现了同步
- synchronized不能用来实现不同线程之间的通信

二、线程通信的方法

Java 中提供了几个方法解决线程之间的通信问题

方法名	作用
`wait()`	表示线程一致等待，直到其他线程通知。与`sleep()`不同，会释放锁
`wait(long timeout)`	指定等待的毫秒数
`notify()`	唤醒一个处于等待状态的线程
`notifyAll()`	唤醒同一个对象上所有调用`wait()`方法的线程，优先级别高的线程优先调度

注：以上均是 Object 类的方法，都只能在同步方法或者同步代码块中使用，否则会抛出IllegalMonitorStateExeception异常

三、解决方式

1. 管程法

生产者：负责生产数据的模块（可能是方法、对象、线程、进程）
消费者：负责处理数据的模块（可能是方法、对象、线程、进程）
缓冲区：消费者不能直接使用生产者的数据，他们之间有个“缓冲区”

生产者将生产好的数据放入缓冲区，消费者从缓冲区拿出数据

例：
public class TestPC {public static void main(String[] args) {SyncContainer container = new SyncContainer();new Producer(container).start();new Consumer(container).start();}
}class Producer extends Thread {SyncContainer container;public Producer(SyncContainer container) {this.container = container;}@Overridepublic void run() {// 生产for (int i = 0; i < 100; i++) {container.push(new Chicken(i));System.out.println("生产了" + i + "只鸡");}}
}class Consumer extends Thread {SyncContainer container;public Consumer(SyncContainer container) {this.container = container;}@Overridepublic void run() {// 消费for (int i = 0; i < 100; i++) {System.out.println("消费了第" + container.pop().id + "只鸡");}}
}class Chicken {int id;public Chicken(int id) {this.id = id;}
}class SyncContainer {// 需要一个容器大小Chicken[] chickens = new Chicken[10];// 容器计数器int count = 0;// 生产者放入产品public synchronized void push(Chicken c) {// 如果容器满了，等待消费者消费if (count == chickens.length) {// 通知消费者，生产者等待try {this.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}// 如果未满，需要丢入产品chickens[count] = c;count++;// 通知消费者可以消费了this.notifyAll();}// 消费者消费产品public synchronized Chicken pop() {// 判断能否消费if (count == 0) {// 等待生产try {this.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}// 如果可以消费count--;Chicken chicken = chickens[count];// 通知生产者生产this.notifyAll();return chicken;}
}

2. 信号灯法

借助标志位判断，若为真消费者等待，若为假生产者等待

例：
public class TestPC2 {public static void main(String[] args) {TV tv = new TV();new Player(tv).start();new Watcher(tv).start();}
}// 生产者——演员
class Player extends Thread {TV tv;public Player(TV tv) {this.tv = tv;}@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 20; i++) {if (i % 2 == 0) {this.tv.play("快乐大本营");} else {this.tv.play("广告");}}}
}// 消费者——观众
class Watcher extends Thread {TV tv;public Watcher(TV tv) {this.tv = tv;}@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 20; i++) {tv.watch();}}
}// 产品——节目
class TV {// 演员录制时，观众等待 T// 观众观看时，演员等待 F// 录制的节目String show;// 标志位boolean flag = true;// 演员录制public synchronized void play(String show) {if (!flag) {try {this.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println("演员录制了" + show);// 通知观众观看this.notifyAll();this.show = show;this.flag = !this.flag;}// 观众观看public synchronized void watch() {if (flag) {try {this.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println("观众观看了" + show);// 通知演员录制this.notifyAll();this.flag = !this.flag;}
}

四、小结

基于“锁”的同步方式需要线程不断地尝试去获得锁，失败了也需要继续尝试，这会很浪费资源，而等待/通知机制则能解决这一问题
等待/通知机制使用的是同一个对象锁，如果两个线程使用的是不同对象锁，则不能用该机制通信

五、扩展

信号量

关键字volatile，能够保证内存的可见性
使用volatile修饰的变量，如果在一个线程里值发生了改变，那么在其它线程中都是立即可见的
使用volatile修饰的变量需要进行原子操作

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四、小结

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