<span style="display:block;text-align:center;">这里是《壹齐学多线程》系列的第 3 篇
生产者 - 消费者模型 Producer-consumer problem 是一个非常经典的多线程并发协作的模型，在分布式系统里非常常见。也是面试中无论中美大厂都非常爱考的一个问题，对应届生问的要少一些，但是对于有工作经验的工程师来说，非常爱考。
这个问题有非常多的版本和解决方式，在本文我重点是和大家壹齐理清思路，由浅入深的思考问题，保证大家看完了都能有所收获。
问题背景
简单来说，这个模型是由两类线程构成：
-
生产者线程：“生产”产品，并把产品放到一个队列里；
-
消费者线程：“消费”产品。
image
- 队列：数据缓存区。
有了这个队列，生产者就只需要关注生产，而不用管消费者的消费行为，更不用等待消费者线程执行完；消费者也只管消费，不用管生产者是怎么生产的，更不用等着生产者生产。
所以该模型实现了生产者和消费者之间的解藕和异步。
什么是异步呢？
比如说你和你女朋友打电话，就得等她接了电话你们才能说话，这是同步。
但是如果你跟她发微信，并不需要等她回复，她也不需要立刻回复，而是等她有空了再回，这就是异步。
但是呢，生产者和消费者之间也不能完全没有联系的。
-
如果队列里的产品已经满了，生产者就不能继续生产；
-
如果队列里的产品从无到有，生产者就得通知一下消费者，告诉它可以来消费了；
-
如果队列里已经没有产品了，消费者也无法继续消费；
-
如果队列里的产品从满到不满，消费者也得去通知下生产者，说你可以来生产了。
所以它们之间还需要有协作，最经典的就是使用 Object 类里自带的 wait() 和 notify() 或者 notifyAll() 的消息通知机制。
上述描述中的等着，其实就是用 wait() 来实现的；
而通知，就是 notify() 或者 notifyAll() 。
那么基于这种消息通知机制，我们还能够平衡生产者和消费者之间的速度差异。
如果生产者的生产速度很慢，但是消费者消费的很快，就像是我们每月工资就发两次，但是每天都要花钱，也就是 1:15.
那么我们就需要调整生产者（发工资）为 15 个线程，消费者保持 1 个线程，这样是不是很爽～
总结下该模型的三大优点： 解藕，异步，平衡速度差异。
wait()/notify()
接下来我们需要重点看下这个通知机制。
wait() 和 notify() 都是 Java 中的 Object 类自带的方法，可以用来实现线程间的通信。
在上一节讲的 11 个 APIs 里我也提到了它，我们这里再展开讲一下。
wait() 方法是用来让当前线程等待，直到有别的线程调用 notify() 将它唤醒，或者我们可以设定一个时间让它自动苏醒。
调用该方法之前，线程必须要获得该对象的对象监视器锁，也就是只能用在加锁的方法下。
而调用该方法之后，当前线程会释放锁。（提示：这里很重要，也是下文代码中用 while 而非 if 的原因。）
notify() 方法只能通知一个线程，如果多个线程在等待，那就唤醒任意一个。
notifyAll() 方法是可以唤醒所有等待线程，然后加入同步队列。
image
这里我们用到了 2 个队列：
这里需要注意，从等待状态线程无法直接进入 Q2，而是要先重新加入同步队列，再次等待拿锁，拿到了锁才能进去 Q2；一旦出了 Q2，锁就丢了。
在 Q2 里，其实只有一个线程，因为这里我们必须要加锁才能进行操作。
实现
这里我首先建了一个简单的 Product 类，用来表示生产和消费的产品，大家可以自行添加更多的 fields。
<pre spellcheck="false" class="md-fences md-end-block ty-contain-cm modeLoaded" lang="java" cid="n873" mdtype="fences" style="box-sizing: border-box; overflow: visible; font-family: var(--monospace); font-size: 0.9em; display: block; break-inside: avoid; text-align: left; white-space: normal; background-image: inherit; background-size: inherit; background-attachment: inherit; background-origin: inherit; background-clip: inherit; background-color: rgb(248, 248, 248); position: relative !important; border: 1px solid rgb(231, 234, 237); border-top-left-radius: 3px; border-top-right-radius: 3px; border-bottom-right-radius: 3px; border-bottom-left-radius: 3px; padding: 8px 4px 6px; margin-bottom: 15px; margin-top: 15px; width: inherit; background-position: inherit inherit; background-repeat: inherit inherit;">public class Product {
private String name;
public Product(String name) {
this.name = name;
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
}</pre>
<pre spellcheck="false" class="md-fences md-end-block ty-contain-cm modeLoaded" lang="java" cid="n877" mdtype="fences" style="box-sizing: border-box; overflow: visible; font-family: var(--monospace); font-size: 0.9em; display: block; break-inside: avoid; text-align: left; white-space: normal; background-image: inherit; background-size: inherit; background-attachment: inherit; background-origin: inherit; background-clip: inherit; background-color: rgb(248, 248, 248); position: relative !important; border: 1px solid rgb(231, 234, 237); border-top-left-radius: 3px; border-top-right-radius: 3px; border-bottom-right-radius: 3px; border-bottom-left-radius: 3px; padding: 8px 4px 6px; margin-bottom: 15px; margin-top: 15px; width: inherit; background-position: inherit inherit; background-repeat: inherit inherit;">public class Test {
public static void main(String[] args) {
Queue<Product> queue = new ArrayDeque<>();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
new Thread(new Producer(queue, 100)).start();
new Thread(new Consumer(queue, 100)).start();
}
}
}</pre>
<pre spellcheck="false" class="md-fences md-end-block ty-contain-cm modeLoaded" lang="java" cid="n879" mdtype="fences" style="box-sizing: border-box; overflow: visible; font-family: var(--monospace); font-size: 0.9em; display: block; break-inside: avoid; text-align: left; white-space: normal; background-image: inherit; background-size: inherit; background-attachment: inherit; background-origin: inherit; background-clip: inherit; background-color: rgb(248, 248, 248); position: relative !important; border: 1px solid rgb(231, 234, 237); border-top-left-radius: 3px; border-top-right-radius: 3px; border-bottom-right-radius: 3px; border-bottom-left-radius: 3px; padding: 8px 4px 6px; margin-bottom: 15px; margin-top: 15px; width: inherit; background-position: inherit inherit; background-repeat: inherit inherit;">public class Producer implements Runnable{
private Queue<Product> queue;
private int maxCapacity;
public Producer(Queue queue, int maxCapacity) {
this.queue = queue;
this.maxCapacity = maxCapacity;
}
@Override
public void run() {
synchronized (queue) {
while (queue.size() == maxCapacity) { //一定要用 while，而不是 if，下文解释
try {
System.out.println("生产者" + Thread.currentThread().getName() + "等待中... Queue 已达到最大容量，无法生产");
wait();
System.out.println("生产者" + Thread.currentThread().getName() + "退出等待");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
if (queue.size() == 0) { //队列里的产品从无到有，需要通知在等待的消费者
queue.notifyAll();
}
Random random = new Random();
Integer i = random.nextInt();
queue.offer(new Product("产品" + i.toString()));
System.out.println("生产者" + Thread.currentThread().getName() + "生产了产品：" + i.toString());
}
}
}</pre>
<pre spellcheck="false" class="md-fences md-end-block ty-contain-cm modeLoaded" lang="java" cid="n882" mdtype="fences" style="box-sizing: border-box; overflow: visible; font-family: var(--monospace); font-size: 0.9em; display: block; break-inside: avoid; text-align: left; white-space: normal; background-image: inherit; background-size: inherit; background-attachment: inherit; background-origin: inherit; background-clip: inherit; background-color: rgb(248, 248, 248); position: relative !important; border: 1px solid rgb(231, 234, 237); border-top-left-radius: 3px; border-top-right-radius: 3px; border-bottom-right-radius: 3px; border-bottom-left-radius: 3px; padding: 8px 4px 6px; margin-bottom: 15px; margin-top: 15px; width: inherit; background-position: inherit inherit; background-repeat: inherit inherit;"> public void run() {
synchronized (queue) {
while (queue.size() == maxCapacity) { //一定要用 while，而不是 if，下文解释
try {
wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
if (queue.size() == 0) {
queue.notifyAll();
}
queue.offer(new Product("产品" + i.toString()));
}
}
}</pre>
<pre spellcheck="false" class="md-fences md-end-block ty-contain-cm modeLoaded" lang="java" cid="n905" mdtype="fences" style="box-sizing: border-box; overflow: visible; font-family: var(--monospace); font-size: 0.9em; display: block; break-inside: avoid; text-align: left; white-space: normal; background-image: inherit; background-size: inherit; background-attachment: inherit; background-origin: inherit; background-clip: inherit; background-color: rgb(248, 248, 248); position: relative !important; border: 1px solid rgb(231, 234, 237); border-top-left-radius: 3px; border-top-right-radius: 3px; border-bottom-right-radius: 3px; border-bottom-left-radius: 3px; padding: 8px 4px 6px; margin-bottom: 15px; margin-top: 15px; width: inherit; background-position: inherit inherit; background-repeat: inherit inherit;">public class Consumer implements Runnable{
private Queue<Product> queue;
private int maxCapacity;
public Consumer(Queue queue, int maxCapacity) {
this.queue = queue;
this.maxCapacity = maxCapacity;
}
@Override
public void run() {
synchronized (queue) {
while (queue.isEmpty()) {
try {
System.out.println("消费者" + Thread.currentThread().getName() + "等待中... Queue 已缺货，无法消费");
wait();
System.out.println("消费者" + Thread.currentThread().getName() + "退出等待");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
if (queue.size() == maxCapacity) {
queue.notifyAll();
}
Product product = queue.poll();
System.out.println("消费者" + Thread.currentThread().getName() + "消费了：" + product.getName());
}
}
}</pre>
****我是小齐，纽约程序媛，终生学习者，每天晚上 9 点，云自习室里不见不散！****
这个 Github 汇总了我所有的文章和资料，之后也会一直更新和维护，还希望大家帮忙点个 Star，你们的支持和认可，就是我创作的最大动力，我们下篇文章见！
文中所有代码已经放到了我的 Github 上：https://github.com/xiaoqi6666/NYCSDE。
生产者 - 消费者问题是面试中经常会遇到的题目，本文首先讲了该模型的三大优点：解藕，异步，平衡速度差异，然后讲解了等待/通知的消息机制以及在该模型中的应用，最后进行了代码实现。
小结
image
结果如下：
消费者线程是完全对称的，我们来看代码。
总结：在使用线程的等待通知机制时，一般都要在 while 循环中调用 wait() 方法。
因为线程没有一直拿着锁，在被唤醒之后，到拿到锁之间的这段时间里，有可能其他的生产者线程先拿到了锁进行了生产，所以队列又经历了一个从不满到满的过程。
那么为什么可能又满了呢？
-
如果队列已满，它就没法生产，那也不能占着位置不做事，所以要把锁让出来，去
Q3 - 等待队列等着； -
在等待队列里被唤醒之后，不能直接夺过锁来，而是要先加入
Q1 - 同步队列等待资源； -
一旦抢到资源，关门上锁，才能来到
Q2继续执行wait()之后的活，但是，此时这个队列有可能又满了，所以退出wait()之后，还需要再次检查queue.size() == maxCapacity这个条件，所以要用while。
其实在这一小段，生产者线程经历了几个过程：
这里有个问题，为什么只能用 while 而不是 if？
-
生产者线程拿到锁后，其实就是进入了
Q2阶段。首先检查队列是否容量已满，如果满了，那就要去Q3等待； -
如果不满，先检查一下队列原本是否为空，如果原来是空的，那就需要通知消费者；
-
最后生产产品。
image
这里有 3 块内容，再对照这个过程来看：
我们把主要逻辑拎出来看：
其实它的主逻辑很简单，我这里为了方便演示加了很多打印语句才显得有点复杂。
然后就是 Producer 和 Consumer 了。
这里为了更好的理解并发协同的这个过程，我们先自己处理。
BlockingQueue 是阻塞队列，它有一系列的方法可以让线程实现自动阻塞，常用的 BlockingQueue 有很多，后面会单独出一篇文章来讲。
主函数里我设定了两类线程，并且这里选择用普通的 ArrayDeque 来实现 Queue，更简单的方式是直接用 Java 中的 BlockingQueue 来实现。
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