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

前言

前面的例子都是多个线程在做相同的操作，比如4个线程都对共享数据做tickets?操作。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，这就是大名鼎鼎的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。

以上就是本文关于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的全部内容，希望对大家有所帮助。感兴趣的朋友可以继续参阅本站：Java编程之多线程死锁与线程间通信简单实现代码、Java多线程编程小实例模拟停车场系统等，如有不足之处，欢迎留言指出。感谢朋友们对本站的支持！