JavaEE 初阶篇-生产者与消费者模型（线程通信）
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文章目录
1.0 生产者与消费者模型概述
2.0 在生产者与消费者模型中涉及的关键概念
2.1 缓冲区
2.2 生产者
2.3 消费者
2.4 同步机制
2.5 线程间通信
3.0 实现生产者与消费者模型的完整代码
1.0 生产者与消费者模型概述
消费者与生产者模型是计算机科学中一个经典的并发编程问题，描述了多个生产者和消费者之间如何共享有限缓冲区的情况。在该模型中，生产者负责生产物品并将其放入共享的缓冲区，而消费者则负责从缓冲区取出物品进行消费。生产者与消费者之间必须进行有效的同步和协调，以避免生产者在缓冲区满时继续生产物品，或消费者在缓冲区为空时尝试消费物品，从而导致竞争条件和数据不一致的问题。
2.0 在生产者与消费者模型中涉及的关键概念
缓冲区、生产者、消费者、同步机制和线程间通信。
2.1 缓冲区
用于存储生产者生产的物品，以便消费者可以从中取出。缓冲区通常是一个有限的队列或缓冲区，可以存储一定数量的物品。
实现缓冲区可以用到数组、链表实现。目前用的是循环数组实现缓冲区的功能。可以自定义数组大小，默认大小为 10 。
循环数组的实现思路，定义三个变量：当前存储的个数 size ，头队列的索引也是取出数据的索引：head 和 尾队列的索引也是放入数据的索引处：tail 。
代码如下：
public class Desk {
private final String[] arr;
private int size = 0;
private int head = 0;
private int tail = 0;
//有参构造器
public Desk(int size) {
this.arr = new String[size];
}
//无参构造器,默认大小为10
public Desk(){
this.arr = new String[10];
}
}
定义了有参和无参两个构造器。将 size 、head 、tail 初始化都为 0 。
2.2 生产者
负责向缓冲区中生产物品并放入到其中。生产者在生产物品之前通常会检查缓冲区是否已满，如果已满则需要等待直到有空间可用。
实现生产者，就是实现一个 put 方法，先判断数组中的 size 与 数组大小关系，若 size >= arr.length 时，先唤醒其他全部线程，然后当前线程则进入等待状态；若 size
代码如下：
//放入数据
public synchronized void put(String data) throws InterruptedException {
String name = Thread.currentThread().getName();
String putData = name + ",放入一个数据:" + data;
if ( ! (size >= arr.length) ){
arr[tail] = putData;
tail++;
if (tail >= arr.length){
tail = 0;
}
size++;
System.out.println(name + "成功放入数据:" + data +
",当前数据个数为:" + size + "个");
Thread.sleep(1000);
this.notifyAll();
this.wait();
}else {
this.notifyAll();
this.wait();
}
}
为了方便观察，用到了 Thread.sleep() 方法。
2.3 消费者
负责从缓冲区中取出物品并进行消费。消费者再消费物品之前常会检查缓冲区是否为空，如果为空则需要等待直到有物品可取。
消费者的实现也是一个 take() 方法，先判断 siez == 0 ，若成立，则先唤醒其他线程，当前线程则进入等待；若不成立，则获取数组中索引位置为 head 的数据，接着 head++ 处理，紧接着判断 head >= arr.length ，若成立，将 head = 0 处理。再接着 size-- ，最后唤醒其他线程，当前线程则进入等待状态。
代码如下：
//取出数据
public synchronized void take() throws InterruptedException {
String name = Thread.currentThread().getName();
if ( !(size == 0)){
String ret = arr[head];
head++;
if (head >= arr.length){
head = 0;
}
size--;
System.out.println(name + "读取到了:" + ret +
",当前还剩数据个数为:" + size + "个");
Thread.sleep(1000);
this.notifyAll();
this.wait();
}else {
this.notifyAll();
this.wait();
}
}
同样，这里也用到了 Thread.sleep() 方法，主要是为了方便观察。
2.4 同步机制
用于实现生产者与消费者之间的同步协调。常用的同步机制包括互斥锁、条件变量、信号变量等，以确保生产者和消费者之间的操作发生竞争条件。
实现中就是用到了 synchronized() 这个关键字。这确保了在多线程环境下，同一时刻只有一个线程可以访问 put() 和 take() 方法中的关键代码块，从而保证了线程安全性。
2.5 线程间通信
生产者与消费者通常运行再不同的线程中，它们之间需要通过线程间通信机制进行协作。常用的线程间通信方式包括 wait-notify 机制等。
在循环中调用 wait() 方法，以避免虚假唤醒问题。在同步块中调用 notifyAll() 方法，以确保线程安全性。
3.0 实现生产者与消费者模型的完整代码
public class ProducerConsumer {
public static void main(String[] args) {
Desk desk = new Desk(1);
//生产者线程1
Thread thread1 = new Thread(()->{
try {
while (true) {
desk.put("华为电脑");
}
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
},"生产者1");
thread1.start();
//生产者线程2
Thread thread2 = new Thread(()->{
try {
while (true) {
desk.put("小米su7");
}
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
},"生产者2");
thread2.start();
//生产者线程3
Thread thread3 = new Thread(()->{
try {
while (true) {
desk.put("大疆无人机");
}
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
},"生产者3");
thread3.start();
//消费者1
Thread thread4 = new Thread(()->{
try {
while (true) {
desk.take();
}
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
},"消费者1");
thread4.start();
//消费者2
Thread thread5 = new Thread(()->{
try {
while (true) {
desk.take();
}
} catch (InterruptedException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
},"消费者2");
thread5.start();
}
}
public class Desk {
private final String[] arr;
private int size = 0;
private int head = 0;
private int tail = 0;
//有参构造器
public Desk(int size) {
this.arr = new String[size];
}
//无参构造器,默认大小为10
public Desk(){
this.arr = new String[10];
}
//放入数据
public synchronized void put(String data) throws InterruptedException {
String name = Thread.currentThread().getName();
String putData = name + ",放入一个数据:" + data;
if ( ! (size >= arr.length) ){
arr[tail] = putData;
tail++;
if (tail >= arr.length){
tail = 0;
}
size++;
System.out.println(name + "成功放入数据:" + data + ",当前数据个数为:" + size + "个");
Thread.sleep(1000);
this.notifyAll();
this.wait();
}else {
this.notifyAll();
this.wait();
}
}
//取出数据
public synchronized void take() throws InterruptedException {
String name = Thread.currentThread().getName();
if ( !(size == 0)){
String ret = arr[head];
head++;
if (head >= arr.length){
head = 0;
}
size--;
System.out.println(name + "读取到了:" + ret + ",当前还剩数据个数为:" + size + "个");
Thread.sleep(1000);
this.notifyAll();
this.wait();
}else {
this.notifyAll();
this.wait();
}
}
}
一部分的运行结果：
通过合理设计和实现生产者与消费者模型，可以有效地避免竞争条件和数据不一致的问题，实现多个生产者和消费者之间的协同工作。在实际应用中，消费者与生产者模型被广泛应用于操作系统、并发编程和分布式系统等领域，是并发编程中重要的基础知识之一。
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