Java多线程之线程通信生产者消费者模式及等待唤醒机制代码详解

作者: Lemonrel | 来源:发表于2019-10-12 18:09 被阅读0次

前言
大多情况下，程序中需要不同的线程做不同的事，比如一个线程对共享变量做tickets++操作，另一个线程对共享变量做tickets–操作，这就是生产者和消费者模式。
正文
一，生产者-消费者模式也是多线程
生产者和消费者模式也是多线程的范例。所以其编程需要遵循多线程的规矩。
首先，既然是多线程，就必然要使用同步。上回说到，synchronized关键字在修饰函数的时候，使用的是“this”锁，所以在同一个类中的函数被synchronized修饰后，使用的是同一把锁。线程调用这些函数时，不管调用的是tickets++操作函数，还是tickets–函数，都会先去判断是否加锁了，得到锁之后再去进行具体的操作。
我们先用代码把程序中的资源，生产者，消费者表示出来。

package com.jimmy.ThreadCommunication;
class Resource{  // 资源类
  private String productName; // 资源名称
  private int count = 1;    // 资源编号
  public void produce(String name){  // 生产资源函数
    this.productName = name + count;
    count ++;  // 资源编号递增，用来模拟资源递增
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"...生产者.."+this.productName);
  }
  public void consume() { // 消费资源函数
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"...消费者.."+this.productName);    
  }
}
class Producer implements Runnable{ // 生产者类，用于开启生产者线程
  private Resource res;
  //生产者初始化就要分配资源
  public Producer(Resource res) {  
    this.res = res;
  }
  @Override
  public void run() {
    for (int i = 0; i < 10; i++) {     
      res.produce("bread");   // 循环生产10次
    }
  }
}
class Comsumer implements Runnable{  // 消费者类，用于开启消费者线程
  private Resource res;
  //同理，消费者一初始化也要分配资源
  public Comsumer(Resource res) {
    this.res = res;
  }
  @Override
  public void run() {
    for (int i = 0; i < 10; i++) {     
      res.consume(); // 循环消费10次
    }
  }
}
public class ProducerAndConsumer1 {
  public static void main(String[] args) {
    Resource resource = new Resource(); // 实例化资源
    Producer producer = new Producer(resource); // 实例化生产者和消费者类，它们取得同一个资源
    Comsumer comsumer = new Comsumer(resource);
    Thread threadProducer = new Thread(producer); // 创建1个生产者线程
    Thread threadComsumer = new Thread(comsumer); // 创建1个消费者线程
    threadProducer.start(); // 分别开启线程
    threadComsumer.start();
  }
}

架子搭好了，就来运行一下，当然会出现错误的结果，如下所示：

Thread-0...生产者..bread1
Thread-0...生产者..bread2
Thread-0...生产者..bread3
Thread-0...生产者..bread4
Thread-0...生产者..bread5
Thread-1...消费者..bread1
Thread-1...消费者..bread6
Thread-1...消费者..bread6
Thread-1...消费者..bread6
Thread-1...消费者..bread6
Thread-1...消费者..bread6
Thread-0...生产者..bread6
Thread-0...生产者..bread7
Thread-1...消费者..bread6
Thread-1...消费者..bread8
Thread-1...消费者..bread8
Thread-1...消费者..bread8
Thread-0...生产者..bread8
Thread-0...生产者..bread9
Thread-0...生产者..bread10

很明显，出现了线程安全错误。这时，就需要“同步”来保证对共享变量的互斥访问。上面代码中需要同步的就是Resource资源类中的produce和consume方法，分别使用synchronized来修饰，由于synchronized修饰方法时使用的是“this”锁，所以同一个类中的所有被修饰的方法用的都是同一个锁，那么线程一次只能访问其中一个方法。加锁后的Resource类方法如下：

class Resource{  // 资源类
  private String productName; // 资源名称
  private int count = 1;    // 资源编号
  public synchronized void produce(String name){  // 生产资源函数
    this.productName = name + count;
    count ++;  // 资源编号递增，用来模拟资源递增
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"...生产者.."+this.productName);
  }
  public synchronized void consume() { // 消费资源函数
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"...消费者.."+this.productName);    
  }
}

再来跑一次代码，又出现问题了：

Thread-0...生产者..bread1
Thread-0...生产者..bread2
Thread-0...生产者..bread3
Thread-0...生产者..bread4
Thread-0...生产者..bread5
Thread-0...生产者..bread6
Thread-0...生产者..bread7
Thread-0...生产者..bread8
Thread-0...生产者..bread9
Thread-0...生产者..bread10
Thread-1...消费者..bread10
Thread-1...消费者..bread10
Thread-1...消费者..bread10
Thread-1...消费者..bread10
Thread-1...消费者..bread10
Thread-1...消费者..bread10
Thread-1...消费者..bread10
Thread-1...消费者..bread10
Thread-1...消费者..bread10
Thread-1...消费者..bread10

虽然没有了线程安全错误，但是问题来了，生产者不停的生产，还没等消费者消费呢，就将后面的资源覆盖了前面的资源，导致消费者消费不到前面的资源，这样很容易造成系统资源浪费。理想中的结果应该是，生产者生产一个，消费者消费一个，和谐运行。对此，java为多线程引入了”等待-唤醒”机制。
二，等待唤醒机制
与线程做同样的操作不同，不同线程之间的操作需要等待唤醒机制来保证线程间的执行顺序。生产者和消费者模式中，生产者和消费者是两类不同的线程，这两类中又可以有很多线程来协同工作。通俗来说就是，系统为资源设置一个标志flag，该标志用来标明资源是否存在，所有的线程执行操作前都要判断资源是否存在。举例来说，系统初始化后，资源是空的。接下来要执行的可能是生产者线程，也可能是消费者线程。如果是消费者线程获得执行权，先判断资源，此时为空，就会进入阻塞状态，交出执行权，并唤醒其他线程。如果是生产者线程获得执行权，先判断资源，此时为空，立马进行生产，完了交出执行权并唤醒其他线程。
注意，上面提到了两点，第一点是标志位flag，也就是等待机制，生产者要判断系统没有资源才进行生产，不然要等待，消费者要判断系统有资源才进行消费，不然也要等待。第二点是唤醒机制，不管是生产者还是消费者，它们在生产完或者消费完后，都要执行一个唤醒操作。java提供的等待唤醒机制是由java.lang.Object类中的wait()和notify()函数组来实现的。其中notify()函数随机唤醒一个被wait()的线程，而notifyAll()唤醒所有被wait()的线程。很遗憾，并没有直接唤醒对方线程的函数。
notify()适用于单生产者和单消费者模式，而notifyAll()适用于多生产者或多消费者模式。
下面来看2个生产者和2个消费者线程处理一个共享变量的代码示例：

package com.jimmy.ThreadCommunication;
class Resource2{
  private String productName;
  private int count = 1;
  private boolean flag = false; // 资源类增加一个标志位，默认false，也就是没有资源
  public synchronized void produce(String name){
    while (flag == true) { // 如果flag为true，也就是有资源了，生产者线程就去等待。
      try {
        wait(); // wait函数抛出的异常只能被截获
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
    this.productName = name + count;
    count ++;
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"....生产者.."+this.productName);
    flag = true; // 生产完了就将flag修改为true
    notifyAll(); // 然后唤醒其他线程
  }
  public synchronized void consume() {
    while (flag == false) { // 如果flag为false，也就是没有资源，消费者线程就去等待
      try {        // 判断flag要用while，因为线程被唤醒后会再次判断flag   
        wait();     // 而如果是if来判断，被唤醒后不会再判断flag，那么多个生产者线程就可能死锁
      } catch (InterruptedException e) {
        // TODO Auto-generated catch block
        e.printStackTrace();
      }
    }
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"...消费者.."+this.productName);    
    flag = false; // 消费完了就把标志改为false
    notifyAll();  // 然后唤醒其他线程，因为有多个生产者和消费者线程，所以要用notifyAll，
            // 因为notify只唤醒一个，唤醒到同类型的线程就不好了。
  }
}
class Producer2 implements Runnable{
  private Resource2 res;
  //生产者初始化就要分配资源
  public Producer2(Resource2 res) {
    this.res = res;
  }
  @Override
  public void run() {
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
      res.produce("bread");
    }
  }
}
class Comsumer2 implements Runnable{
  private Resource2 res;
  //同理，消费者一初始化也要分配资源
  public Comsumer2(Resource2 res) {
    this.res = res;
  }
  @Override
  public void run() {
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
      res.consume();
    }
  }
}
public class ProducerAndConsumer2 {
  public static void main(String[] args) {
    Resource2 resource = new Resource2(); // 实例化资源
    Producer2 producer = new Producer2(resource); // 实例化生产者，并传入资源对象
    Comsumer2 comsumer = new Comsumer2(resource); // 实例化消费者，并传入相同的资源对象
    Thread threadProducer1 = new Thread(producer); // 创建2个生产者线程
    Thread threadProducer2 = new Thread(producer);
    Thread threadComsumer1 = new Thread(comsumer); // 创建2个消费者线程
    Thread threadComsumer2 = new Thread(comsumer);
    threadProducer1.start();
    threadProducer2.start();
    threadComsumer1.start();
    threadComsumer2.start();
  }
}

上述代码的输出结果如下，是理想中的生产一个，消费一个依次进行。

Thread-0....生产者..bread1
Thread-3...消费者..bread1
Thread-1....生产者..bread2
Thread-2...消费者..bread2
Thread-1....生产者..bread3
Thread-3...消费者..bread3
Thread-0....生产者..bread4
Thread-3...消费者..bread4
Thread-1....生产者..bread5
Thread-2...消费者..bread5
Thread-1....生产者..bread6
Thread-3...消费者..bread6
Thread-0....生产者..bread7
Thread-3...消费者..bread7
Thread-1....生产者..bread8
Thread-2...消费者..bread8
Thread-0....生产者..bread9
Thread-3...消费者..bread9
Thread-0....生产者..bread10
Thread-2...消费者..bread10

可以看出，线程0和1是生产者线程，他们每次只有一个进行生产。线程2和3是消费者线程，同样的，每次只有一个进行消费。
注意，上述代码中的问题有2点需要注意，第一点是用if还是while来判断flag，第二点是用notify还是notifyAll函数。统一来说，while判断在线程唤醒后还会再次判断，如果只有一个生产者和消费者线程的话可以用if，如果有多个生产者或者消费者，就必须用while判断，不然会出现死锁。所以，最终要用while和notifyAll()的组合。
总结
多线程编程往往是多个线程执行不同的任务，不同的任务不仅需要“同步”，还需要“等待唤醒机制”。两者结合就可以实现多线程编程，其中的生产者消费者模式就是经典范例。
然而，使用synchronized修饰同步函数和使用Object类中的wait，notify方法实现等待唤醒是有弊端的。就是效率问题，notifyAll方法唤醒所有被wait的线程，包括本类型的线程，如果本类型的线程被唤醒，还要再次判断并进入wait，这就产生了很大的效率问题。理想状态下，生产者线程要唤醒消费者线程，而消费者线程要唤醒生产者线程。为此，jdk1.5引入了java.util.concurrent.locks包，并提供了Lock和Condition接口及实现类。
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