生产者消费者模式java的三种实现

Thea ·

更新时间:2024-11-10

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生产者消费者 介绍优点可以解耦生产者和消费者，互相之间不会产生影响支持并发操作，生产者只管生产数据，生产的数据放到缓冲区中，而不需要等消费者消费完再生产下一个数据，不会造成阻塞支持忙闲不均 数据单元 特性关联到业务对象完整性独立性颗粒度设计缓冲区一般使用阻塞队列，当队列满时会阻塞生产者继续生产数据，直到有消费者来消费了数据。当队列为空时也会阻塞消费者继续消费生产消费者问题是个非常典型的多线程问题，涉及到的对象包括“生产者”，“消费者”，“仓库”，“产品” 关系生产者只有在仓库未满时生产，仓满就停止生产消费者仅仅在仓库有产品的时候才能消费，仓空就等待当消费者发现仓库没产品消费的时候通知生产者生产生产者在生成出产品后通知等待的消费者去消费 wait/notify方法 sleep（）是Thread类的方法，而wait（）,notify(),notifyAll()是Object类中定义的方法，尽管这两个方法都会影响线程的执行行为，但是本质上是有区别的 Thread.sleep()不会导致锁行为的改变，可以简单的认为，与锁相关的方法都定义在Object类中，因此调用Thread.sleep()是不会影响锁的相关行为 Thread.sleep和object.wait都会暂停当前的线程，对于CPU资源来说，不管是哪种方式暂停线程，都表示它暂时不需要CPU的执行时间，OS会将执行时间分配给其他线程。区别是调用wait后，需要别的线程执行notify/notifyAll才能重新获得CPU执行时间 实现生产者消费者模型 BlockingQueue阻塞队列方法 Object的wait()/notify()方法 Lock和Condition的await()/signal()方法 java实现 方法一：使用BlockingQueue阻塞队列方法 数据类Data

public class Data {
    private int id;
    //生产量
    private int num;
    public Data(int id,int num){
        this.id=id;
        this.num=num;
    }
    public Data(){
    }
    public int getId() {
        return id;
    }
    public void setId(int id) {
        this.id = id;
    }
    public int getNum() {
        return num;
    }
    public void setNum(int num) {
        this.num = num;
    }
}

生产者

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.BlockingDeque;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class Producer implements Runnable {
    //共享阻塞队列
    private BlockingDeque queue;
    //是否还在运行
    private volatile boolean isRunning = true;
    //id生成器原子操作
    private static AtomicInteger count = new AtomicInteger();
    // 生成随机数
    private static Random random = new Random();
    public Producer(BlockingDeque queue){
        this.queue=queue;
    }
    @Override
    public void run() {
        try{
            while(isRunning){
                // 模拟生产耗时
                Thread.sleep(random.nextInt(1000));
                int num=count.incrementAndGet();
                Data data=new Data(num,num);
                System.out.println("当前>>生产者:"+Thread.currentThread().getName()+"生产量"+num);
                if(!queue.offer(data,2, TimeUnit.SECONDS)){
                    System.out.println("生产失败...");
                }
            }
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public void stop(){
        isRunning=false;
    }
}

消费者

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.BlockingDeque;
public class Consumer implements  Runnable {
    //双端队列，加入或者取出元素都是线程安全的
    private BlockingDeque queue;
    private static Random random=new  Random();
    public Consumer(BlockingDeque queue){
        this.queue=queue;
    }
    @Override
    public void run(){
        while (true){
            try{
                // 检索并删除，如果需要等待、直到元素可用。
                Data data= queue.take();
                //模拟消费耗时
                Thread.sleep(random.nextInt(1000));
                if(data!=null){
                    System.out.println("当前<<消费者："+Thread.currentThread().getName()+",消费量"+data.getNum());
                }
            }catch (Exception e){
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

测试

import java.util.concurrent.*;
public class TestPro {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
        BlockingDeque queue = new LinkedBlockingDeque(10);
        Producer producer1 = new Producer(queue);
        Producer producer2 = new Producer(queue);
        Producer producer3 = new Producer(queue);
        Consumer consumer1 = new Consumer(queue);
        Consumer consumer2 = new Consumer(queue);
        Consumer consumer3 = new Consumer(queue);
        ExecutorService service= Executors.newCachedThreadPool();
        service.execute(producer1);
        service.execute(producer2);
        service.execute(producer3);
        service.execute(consumer1);
        service.execute(consumer2);
        service.execute(consumer3);
        Thread.sleep(3000);
        producer1.stop();
        producer2.stop();
        producer3.stop();
        Thread.sleep(1000);
        service.shutdown();
    }
}

结果

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-hBNwcyGG-1582708080156)(https://raw.githubusercontent.com/iszhonghu/Picture-bed/master/img/20200226105053.png)]

最后一次生产20此时所有的生产者都停止生产了，但是此时产品池还没空，于是消费者继续消费，直到把产品池中的数据消耗完

方法二：使用Object的wait()/notify()方法

wait()/ nofity()方法是基类Object的两个方法，也就意味着所有Java类都会拥有这两个方法，这样，我们就可以为任何对象实现同步机制。

wait()：当缓冲区已满/空时，生产者/消费者线程停止自己的执行，放弃锁，使自己处于等待状态，让其他线程执行。 notify()：当生产者/消费者向缓冲区放入/取出一个产品时，向其他等待的线程发出可执行的通知，同时放弃锁，使自己处于等待状态。 生产者

import java.util.Queue;
import java.util.Random;
public class Producer extends Thread {
    private Queue queue;
    String name;
    int maxSize;
    int i=0;
    public Producer(String name,Queue queue,int maxSize){
        super(name);
        this.name=name;
        this.queue=queue;
        this.maxSize=maxSize;
    }
    @Override
    public void run(){
        while (true){
            synchronized (queue){
                while (queue.size()==maxSize){
                    try{
                        System.out.println("队列已经满了，生产者["+name+"]线程等待"+"消费者从队列中消费产品。");
                        queue.wait();
                    }catch (Exception e){
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                System.out.println("[" + name + "] 生产产品  : +" + i);
                queue.offer(i++);
                queue.notifyAll();
                try{
                    Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
                }catch (InterruptedException e){
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

消费者

import java.util.Queue;
import java.util.Random;
public class Consumer extends Thread {
    private Queue queue;
    String name;
    int maxSize;
    public Consumer(String name,Queuequeue,int maxSize){
        super(name);
        this.name=name;
        this.queue=queue;
        this.maxSize=maxSize;
    }
    @Override
    public void run(){
        while (true){
            synchronized (queue){
                while (queue.isEmpty()){
                    try{
                        System.out.println("队列是空的 消费者[" + name + "] 等待生产者生产");
                        queue.wait();
                    }catch (Exception e){
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                int x=queue.poll();
                System.out.println("[" + name + "] 消费产品 : " + x);
                queue.notifyAll();
                try{
                    Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
                }catch (InterruptedException e){
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

生产者消费者模式

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
/**
 * 生产者消费者模式：使用Object.wait()/notify()方法实现
 */
public class ProdicerConsumer {
    private static final int CAPACITY = 500;
    public static void main(String[] args) {
        Queue queue = new LinkedList();
        Thread producer1 = new Producer("P-1", queue, CAPACITY);
        Thread producer2 = new Producer("P-2", queue, CAPACITY);
        Thread consumer1 = new Consumer("C1", queue, CAPACITY);
        Thread consumer2 = new Consumer("C2", queue, CAPACITY);
        Thread consumer3 = new Consumer("C3", queue, CAPACITY);
        producer1.start();
        producer2.start();
        consumer1.start();
        consumer2.start();
        consumer3.start();
    }
}

结果

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-2s2ckWoo-1582708080157)(https://raw.githubusercontent.com/iszhonghu/Picture-bed/master/img/20200226160351.png)]

注意要点 判断Queue大小为0或者大于queueSize时须使用 while (condition) {}，不能使用 if(condition) {}。其中 while(condition)循环，它又被叫做**“自旋锁”。为防止该线程没有收到notify()调用也从wait()中返回（也称作虚假唤醒**），这个线程会重新去检查condition条件以决定当前是否可以安全地继续执行还是需要重新保持等待，而不是认为线程被唤醒了就可以安全地继续执行了。 方法三：使用Lock和Condition的await() / signal()方法

在JDK5.0之后，Java提供了更加健壮的线程处理机制，包括同步、锁定、线程池等，它们可以实现更细粒度的线程控制。Condition接口的await()和signal()就是其中用来做同步的两种方法，它们的功能基本上和Object的wait()/ nofity()相同，完全可以取代它们，但是它们和新引入的锁定机制Lock直接挂钩，具有更大的灵活性。通过在Lock对象上调用newCondition()方法，将条件变量和一个锁对象进行绑定，进而控制并发程序访问竞争资源的安全。

生产者消费者模式：使用Lock和Condition实现


import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class ProducerConsumerByLock {
    private static final int CAPACITY = 5;
    private static final Lock lock = new ReentrantLock();
    private static final Condition fullCondition = lock.newCondition();     //队列满的条件
    private static final Condition emptyCondition = lock.newCondition();        //队列空的条件
    public static void main(String args[]){
        Queue queue = new LinkedList();
        Thread producer1 = new Producer("P-1", queue, CAPACITY);
        Thread producer2 = new Producer("P-2", queue, CAPACITY);
        Thread consumer1 = new Consumer("C1", queue, CAPACITY);
        Thread consumer2 = new Consumer("C2", queue, CAPACITY);
        Thread consumer3 = new Consumer("C3", queue, CAPACITY);
        producer1.start();
        producer2.start();
        consumer1.start();
        consumer2.start();
        consumer3.start();
    }
    /**
     * 生产者
     */
    public static class Producer extends Thread{
        private Queue queue;
        String name;
        int maxSize;
        int i = 0;
        public Producer(String name, Queue queue, int maxSize){
            super(name);
            this.name = name;
            this.queue = queue;
            this.maxSize = maxSize;
        }
        @Override
        public void run(){
            while(true){
                //获得锁
                lock.lock();
                while(queue.size() == maxSize){
                    try {
                        System.out .println("队列已经满了，生产者["+name+"]线程等待"+"消费者从队列中消费产品。");
                        //条件不满足，生产阻塞
                        fullCondition.await();
                    } catch (InterruptedException ex) {
                        ex.printStackTrace();
                    }
                }
                System.out.println("[" + name + "] 生产产品  : +" + i);
                queue.offer(i++);
                //唤醒其他所有生产者、消费者
                fullCondition.signalAll();
                emptyCondition.signalAll();
                //释放锁
                lock.unlock();
                try {
                    Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
    /**
     * 消费者
     */
    public static class Consumer extends Thread{
        private Queue queue;
        String name;
        int maxSize;
        public Consumer(String name, Queue queue, int maxSize){
            super(name);
            this.name = name;
            this.queue = queue;
            this.maxSize = maxSize;
        }
        @Override
        public void run(){
            while(true){
                //获得锁
                lock.lock();
                while(queue.isEmpty()){
                    try {
                        System.out.println("队列是空的 消费者[" + name + "] 等待生产者生产");
                        //条件不满足，消费阻塞
                        emptyCondition.await();
                    } catch (Exception ex) {
                        ex.printStackTrace();
                    }
                }
                int x = queue.poll();
                System.out.println("[" + name + "] 消费产品 : " + x);
                //唤醒其他所有生产者、消费者
                fullCondition.signalAll();
                emptyCondition.signalAll();
                //释放锁
                lock.unlock();
                try {
                    Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

结果

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-QNVflgMO-1582708080158)(https://raw.githubusercontent.com/iszhonghu/Picture-bed/master/img/20200226164915.png)]

作者：冢狐

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