生產(chǎn)者和消費(fèi)者問題是從操作系統(tǒng)中的許多實(shí)際同步問題中抽象出來的具有
代表性的問題。它反映了操作系統(tǒng)中典型的同步例子。
生產(chǎn)者進(jìn)程(進(jìn)程由多個線程組成)生產(chǎn)信息，例如它可以是計(jì)算進(jìn)程。消費(fèi)
者進(jìn)程使用信息，它可以是輸出打印進(jìn)程。由于生產(chǎn)者和消費(fèi)者彼此獨(dú)立，且運(yùn)
行速度不確定，所以很可能出現(xiàn)生產(chǎn)者已產(chǎn)生了信息而消費(fèi)者卻沒有來得及接受
信息這種情況。為此，需要引入由一個或者若干個存儲單元組成的臨時(shí)存儲區(qū)，
以便存放生產(chǎn)者所產(chǎn)生的信息，平滑進(jìn)程間由于速度不確定所帶來的問題。這個
臨時(shí)存儲區(qū)叫做緩沖區(qū)，通常用一維數(shù)組來表示。
由一個或若干個存儲單元組成的緩沖區(qū)叫作“有窮緩沖區(qū)”。下面我們來分
析一下有窮緩沖的生產(chǎn)者和消費(fèi)者的例子。
假設(shè)有多個生產(chǎn)者和多個消費(fèi)者，它們共享一個具有n個存儲單元的有窮緩沖
區(qū)Buffer(0……n-1)，這是一個環(huán)形隊(duì)列。其隊(duì)尾指針Rear指向當(dāng)前信息應(yīng)存放
的位置(Buffer[Rear])，隊(duì)首指針Front指向當(dāng)前取出信息的位置(Buffer[front
])。生產(chǎn)者進(jìn)程總是把信息存放在Buffer[Rear]中，消費(fèi)者進(jìn)程則總是從Buffer
[Rear]中取出信息。如果想使生產(chǎn)者進(jìn)程和消費(fèi)者進(jìn)程協(xié)調(diào)合作，則必須使它們
遵循如下規(guī)則:
1) 只要緩沖區(qū)有存儲單元，生產(chǎn)者都可往其中存放信息；當(dāng)緩沖區(qū)已滿時(shí)，
若任意生產(chǎn)者提出寫要求，則都必須等待；
2) 只要緩沖區(qū)中有消息可取，消費(fèi)者都可從緩沖區(qū)中取出消息；當(dāng)緩沖區(qū)為
空時(shí)，若任意消費(fèi)者想取出信息，則必須等待；
3) 生產(chǎn)者們和消費(fèi)者們不能同時(shí)讀、寫緩沖區(qū)。
用JAVA 實(shí)現(xiàn)“生產(chǎn)者－消費(fèi)者”問題的代碼如下:
public class ProducerConsumer {
public static void main(String[] args) {
SyncStack ss = new SyncStack();
Producer p = new Producer(ss);
Consumer c = new Consumer(ss);
new Thread(p).start();
new Thread(p).start();
new Thread(p).start();
new Thread(c).start();
}
}
class WoTou {
int id;
WoTou(int id) {
this.id = id;
}
public String toString() {
return "WoTou : " + id;
}
}
class SyncStack {
int index = 0;
WoTou[] arrWT = new WoTou[6];
public synchronized void push(WoTou wt) {
while(index == arrWT.length) {
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
this.notifyAll();
arrWT[index] = wt;
index ++;
}
public synchronized WoTou pop() {
while(index == 0) {
try {
this.wait();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
this.notifyAll();
index--;
return arrWT[index];
}
}
class Producer implements Runnable {
SyncStack ss = null;
Producer(SyncStack ss) {
this.ss = ss;
}
public void run() {
for(int i=0; i<20; i++) {
WoTou wt = new WoTou(i);
ss.push(wt);
System.out.println("生產(chǎn)了：" + wt);
try {
Thread.sleep((int)(Math.random() * 200));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
class Consumer implements Runnable {
SyncStack ss = null;
Consumer(SyncStack ss) {
this.ss = ss;
}
public void run() {
for(int i=0; i<20; i++) {
WoTou wt = ss.pop();
System.out.println("消費(fèi)了: " + wt);
try {
Thread.sleep((int)(Math.random() * 1000));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
生產(chǎn)者消費(fèi)者問題是研究多線程程序時(shí)繞不開的問題，它的描述是有一塊生產(chǎn)者和消費(fèi)者共享的有界緩沖區(qū)，生產(chǎn)者往緩沖區(qū)放入產(chǎn)品，消費(fèi)者從緩沖區(qū)取走產(chǎn)品，這個過程可以無休止的執(zhí)行，不能因緩沖區(qū)滿生產(chǎn)者放不進(jìn)產(chǎn)品而終止，也不能因緩沖區(qū)空消費(fèi)者無產(chǎn)品可取而終止。
解決生產(chǎn)者消費(fèi)者問題的方法有兩種，一種是采用某種機(jī)制保持生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間的同步，一種是在生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間建立一個管道。前一種有較高的效率并且可控制性較好，比較常用，后一種由于管道緩沖區(qū)不易控制及被傳輸數(shù)據(jù)對象不易封裝等原因，比較少用。
同步問題的核心在于，CPU是按時(shí)間片輪詢的方式執(zhí)行程序，我們無法知道某一個線程是否被執(zhí)行、是否被搶占、是否結(jié)束等，因此生產(chǎn)者完全可能當(dāng)緩沖區(qū)已滿的時(shí)候還在放入產(chǎn)品，消費(fèi)者也完全可能當(dāng)緩沖區(qū)為空時(shí)還在取出產(chǎn)品。
現(xiàn)在同步問題的解決方法一般是采用信號或者加鎖機(jī)制，即生產(chǎn)者線程當(dāng)緩沖區(qū)已滿時(shí)放棄自己的執(zhí)行權(quán)，進(jìn)入等待狀態(tài)，并通知消費(fèi)者線程執(zhí)行。消費(fèi)者線程當(dāng)緩沖區(qū)已空時(shí)放棄自己的執(zhí)行權(quán)，進(jìn)入等待狀態(tài)，并通知生產(chǎn)者線程執(zhí)行。這樣一來就保持了線程的同步，并避免了線程間互相等待而進(jìn)入死鎖狀態(tài)。
JAVA語言提供了獨(dú)立于平臺的線程機(jī)制，保持了”write once, run anywhere”的特色。同時(shí)也提供了對同步機(jī)制的良好支持。
在JAVA中，一共有四種方法支持同步，其中三個是同步方法，一個是管道方法。
1. 方法wait()/notify()
2. 方法await()/signal()
3. 阻塞隊(duì)列方法BlockingQueue
4. 管道方法PipedInputStream/PipedOutputStream
下面我們看各個方法的實(shí)現(xiàn)：
1. 方法wait()/notify()
wait()和notify()是根類Object的兩個方法，也就意味著所有的JAVA類都會具有這個兩個方法，為什么會被這樣設(shè)計(jì)呢？我們可以認(rèn)為所有的對象默認(rèn)都具有一個鎖，雖然我們看不到，也沒有辦法直接操作，但它是存在的。
wait()方法表示：當(dāng)緩沖區(qū)已滿或空時(shí)，生產(chǎn)者或消費(fèi)者線程停止自己的執(zhí)行，放棄鎖，使自己處于等待狀態(tài)，讓另一個線程開始執(zhí)行；
notify()方法表示：當(dāng)生產(chǎn)者或消費(fèi)者對緩沖區(qū)放入或取出一個產(chǎn)品時(shí)，向另一個線程發(fā)出可執(zhí)行通知，同時(shí)放棄鎖，使自己處于等待狀態(tài)。
下面是一個例子代碼：
import java.util.LinkedList;
public class Sycn1...{
private LinkedList<Object> myList =new LinkedList<Object>();
private int MAX = 10;
public Sycn1()...{
}
public void start()...{
new Producer().start();
new Consumer().start();
}
public static void main(String[] args) throws Exception...{
Sycn1 s1 = new Sycn1();
s1.start();
}
class Producer extends Thread...{
public void run()...{
while(true)...{
synchronized(myList)...{
try...{
while(myList.size() == MAX)...{
System.out.println("warning: it's full!");
myList.wait();
}
Object o = new Object();
if(myList.add(o))...{
System.out.println("Producer: " + o);
myList.notify();
}
}catch(InterruptedException ie)...{
System.out.println("producer is interrupted!");
}
}
}
}
}
class Consumer extends Thread...{
public void run()...{
while(true)...{
synchronized(myList)...{
try...{
while(myList.size() == 0)...{
System.out.println("warning: it's empty!");
myList.wait();
}
Object o = myList.removeLast();
System.out.println("Consumer: " + o);
myList.notify();
}catch(InterruptedException ie)...{
System.out.println("consumer is interrupted!");
}
}
}
}
}
}
2. 方法await()/signal()
在JDK5.0以后，JAVA提供了新的更加健壯的線程處理機(jī)制，包括了同步、鎖定、線程池等等，它們可以實(shí)現(xiàn)更小粒度上的控制。await()和signal()就是其中用來做同步的兩種方法，它們的功能基本上和wait()/notify()相同，完全可以取代它們，但是它們和新引入的鎖定機(jī)制Lock直接掛鉤，具有更大的靈活性。
下面是一個例子代碼：
import java.util.LinkedList;
import java.util.concurrent.locks.*;
public class Sycn2...{
private LinkedList<Object> myList = new LinkedList<Object>();
private int MAX = 10;
private final Lock lock = new ReentrantLock();
private final Condition full = lock.newCondition();
private final Condition empty = lock.newCondition();
public Sycn2()...{
}
public void start()...{
new Producer().start();
new Consumer().start();
}
public static void main(String[] args) throws Exception...{
Sycn2 s2 = new Sycn2();
s2.start();
}
class Producer extends Thread...{
public void run()...{
while(true)...{
lock.lock();
try...{
while(myList.size() == MAX)...{
System.out.println("warning: it's full!");
full.await();
}
Object o = new Object();
if(myList.add(o))...{
System.out.println("Producer: " + o);
empty.signal();
}
}catch(InterruptedException ie)...{
System.out.println("producer is interrupted!");
}finally...{
lock.unlock();
}
}
}
}
class Consumer extends Thread...{
public void run()...{
while(true)...{
lock.lock();
try...{
while(myList.size() == 0)...{
System.out.println("warning: it's empty!");
empty.await();
}
Object o = myList.removeLast();
System.out.println("Consumer: " + o);
full.signal();
}catch(InterruptedException ie)...{
System.out.println("consumer is interrupted!");
}finally...{
lock.unlock();
}
}
}
}
}
3. 阻塞隊(duì)列方法BlockingQueue
BlockingQueue也是JDK5.0的一部分，它是一個已經(jīng)在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了同步的隊(duì)列，實(shí)現(xiàn)方式采用的是我們的第2種await()/signal()方法。它可以在生成對象時(shí)指定容量大小。
它用于阻塞操作的是put()和take()方法。
put()方法類似于我們上面的生產(chǎn)者線程，容量最大時(shí)，自動阻塞。
take()方法類似于我們上面的消費(fèi)者線程，容量為0時(shí)，自動阻塞。
下面是一個例子代碼：
import java.util.concurrent.*;
public class Sycn3...{
private LinkedBlockingQueue<Object> queue = new LinkedBlockingQueue<Object>(10);
private int MAX = 10;
public Sycn3()...{
}
public void start()...{
new Producer().start();
new Consumer().start();
}
public static void main(String[] args) throws Exception...{
Sycn3 s3 = new Sycn3();
s3.start();
}
class Producer extends Thread...{
public void run()...{
while(true)...{
//synchronized(this){
try...{
if(queue.size() == MAX)
System.out.println("warning: it's full!");
Object o = new Object();
queue.put(o);
System.out.println("Producer: " + o);
}catch(InterruptedException e)...{
System.out.println("producer is interrupted!");
}
//}
}
}
}
class Consumer extends Thread...{
public void run()...{
while(true)...{
//synchronized(this){
try...{
if(queue.size() == 0)
System.out.println("warning: it's empty!");
Object o = queue.take();
System.out.println("Consumer: " + o);
}catch(InterruptedException e)...{
System.out.println("producer is interrupted!");
}
//}
}
}
}
}
你發(fā)現(xiàn)這個例子中的問題了嗎？
如果沒有，我建議你運(yùn)行一下這段代碼，仔細(xì)觀察它的輸出，是不是有下面這個樣子的？為什么會這樣呢？
…
warning: it's full!
Producer: java.lang.object@4526e2a
…
你可能會說這是因?yàn)閜ut()和System.out.println()之間沒有同步造成的，我也這樣認(rèn)為，我也這樣認(rèn)為，但是你把run()中的synchronized前面的注釋去掉，重新編譯運(yùn)行，有改觀嗎？沒有。為什么？
這是因?yàn)椋?dāng)緩沖區(qū)已滿，生產(chǎn)者在put()操作時(shí)，put()內(nèi)部調(diào)用了await()方法，放棄了線程的執(zhí)行，然后消費(fèi)者線程執(zhí)行，調(diào)用take()方法，take()內(nèi)部調(diào)用了signal()方法，通知生產(chǎn)者線程可以執(zhí)行，致使在消費(fèi)者的println()還沒運(yùn)行的情況下生產(chǎn)者的println()先被執(zhí)行，所以有了上面的輸出。run()中的synchronized其實(shí)并沒有起什么作用。
對于BlockingQueue大家可以放心使用，這可不是它的問題，只是在它和別的對象之間的同步有問題。
對于這種多重嵌套同步的問題，以后再談吧，歡迎大家討論啊！
4. 管道方法PipedInputStream/PipedOutputStream
這個類位于java.io包中，是解決同步問題的最簡單的辦法，一個線程將數(shù)據(jù)寫入管道，另一個線程從管道讀取數(shù)據(jù)，這樣便構(gòu)成了一種生產(chǎn)者/消費(fèi)者的緩沖區(qū)編程模式。
下面是一個例子代碼，在這個代碼我沒有使用Object對象，而是簡單的讀寫字節(jié)值，這是因?yàn)镻ipedInputStream/PipedOutputStream不允許傳輸對象，這是JAVA本身的一個bug,具體的大家可以看sun的解釋：http://bugs.sun.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=4131126
import java.io.*;
public class Sycn4...{
private PipedOutputStream pos;
private PipedInputStream pis;
//private ObjectOutputStream oos;
//private ObjectInputStream ois;
public Sycn4()...{
try...{
pos = new PipedOutputStream();
pis = new PipedInputStream(pos);
//oos = new ObjectOutputStream(pos);
//ois = new ObjectInputStream(pis);
}catch(IOException e)...{
System.out.println(e);
}
}
public void start()...{
new Producer().start();
new Consumer().start();
}
public static void main(String[] args) throws Exception...{
Sycn4 s4 = new Sycn4();
s4.start();
}
class Producer extends Thread...{
public void run() ...{
try...{
while(true)...{
int b = (int) (Math.random() * 255);
System.out.println("Producer: a byte, the value is " + b);
pos.write(b);
pos.flush();
//Object o = new MyObject();
//oos.writeObject(o);
//oos.flush();
//System.out.println("Producer: " + o);
}
}catch(Exception e)...{
//System.out.println(e);
e.printStackTrace();
}finally...{
try...{
pos.close();
pis.close();
//oos.close();
//ois.close();
}catch(IOException e)...{
System.out.println(e);
}
}
}
}
class Consumer extends Thread...{
public void run()...{
try...{
while(true)...{
int b = pis.read();
System.out.println("Consumer: a byte, the value is " + String.valueOf(b));
//Object o = ois.readObject();
//if(o != null)
//System.out.println("Consumer: " + o);
}
}catch(Exception e)...{
//System.out.println(e);
e.printStackTrace();
}finally...{
try...{
pos.close();
pis.close();
//oos.close();
//ois.close();
}catch(IOException e)...{
System.out.println(e);
}
}
}
}
//class MyObject implements Serializable {
//}
}
出處：http://blog.csdn.net/JaunLee/archive/2008/02/01/2077291.aspx