生產者和消費者問題是從操作系統中的許多實際同步問題中抽象出來的具有
代表性的問題。它反映了操作系統中典型的同步例子。
生產者進程(進程由多個線程組成)生產信息，例如它可以是計算進程。消費
者進程使用信息，它可以是輸出打印進程。由于生產者和消費者彼此獨立，且運
行速度不確定，所以很可能出現生產者已產生了信息而消費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存儲區，
以便存放生產者所產生的信息，平滑進程間由于速度不確定所帶來的問題。這個
臨時存儲區叫做緩沖區，通常用一維數組來表示。
由一個或若干個存儲單元組成的緩沖區叫作“有窮緩沖區”。下面我們來分
析一下有窮緩沖的生產者和消費者的例子。
假設有多個生產者和多個消費者，它們共享一個具有n個存儲單元的有窮緩沖
區Buffer(0……n-1)，這是一個環形隊列。其隊尾指針Rear指向當前信息應存放
的位置(Buffer[Rear])，隊首指針Front指向當前取出信息的位置(Buffer[front
])。生產者進程總是把信息存放在Buffer[Rear]中，消費者進程則總是從Buffer
[Rear]中取出信息。如果想使生產者進程和消費者進程協調合作，則必須使它們
遵循如下規則:
1) 只要緩沖區有存儲單元，生產者都可往其中存放信息；當緩沖區已滿時，
若任意生產者提出寫要求，則都必須等待；
2) 只要緩沖區中有消息可取，消費者都可從緩沖區中取出消息；當緩沖區為
空時，若任意消費者想取出信息，則必須等待；
3) 生產者們和消費者們不能同時讀、寫緩沖區。
用JAVA 實現“生產者－消費者”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("消費了: " + wt);
try {
Thread.sleep((int)(Math.random() * 1000));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
生產者消費者問題是研究多線程程序時繞不開的問題，它的描述是有一塊生產者和消費者共享的有界緩沖區，生產者往緩沖區放入產品，消費者從緩沖區取走產品，這個過程可以無休止的執行，不能因緩沖區滿生產者放不進產品而終止，也不能因緩沖區空消費者無產品可取而終止。
解決生產者消費者問題的方法有兩種，一種是采用某種機制保持生產者和消費者之間的同步，一種是在生產者和消費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不易控制及被傳輸數據對象不易封裝等原因，比較少用。
同步問題的核心在于，CPU是按時間片輪詢的方式執行程序，我們無法知道某一個線程是否被執行、是否被搶占、是否結束等，因此生產者完全可能當緩沖區已滿的時候還在放入產品，消費者也完全可能當緩沖區為空時還在取出產品。
現在同步問題的解決方法一般是采用信號或者加鎖機制，即生產者線程當緩沖區已滿時放棄自己的執行權，進入等待狀態，并通知消費者線程執行。消費者線程當緩沖區已空時放棄自己的執行權，進入等待狀態，并通知生產者線程執行。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入死鎖狀態。
JAVA語言提供了獨立于平臺的線程機制，保持了”write once, run anywhere”的特色。同時也提供了對同步機制的良好支持。
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. 阻塞隊列方法BlockingQueue
4. 管道方法PipedInputStream/PipedOutputStream
下面我們看各個方法的實現：
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，為什么會被這樣設計呢？我們可以認為所有的對象默認都具有一個鎖，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：當緩沖區已滿或空時，生產者或消費者線程停止自己的執行，放棄鎖，使自己處于等待狀態，讓另一個線程開始執行；
notify()方法表示：當生產者或消費者對緩沖區放入或取出一個產品時，向另一個線程發出可執行通知，同時放棄鎖，使自己處于等待狀態。
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制，包括了同步、鎖定、線程池等等，它們可以實現更小粒度上的控制。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. 阻塞隊列方法BlockingQueue
BlockingQueue也是JDK5.0的一部分，它是一個已經在內部實現了同步的隊列，實現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者線程，容量最大時，自動阻塞。
take()方法類似于我們上面的消費者線程，容量為0時，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!");
}
//}
}
}
}
}
你發現這個例子中的問題了嗎？
如果沒有，我建議你運行一下這段代碼，仔細觀察它的輸出，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
…
你可能會說這是因為put()和System.out.println()之間沒有同步造成的，我也這樣認為，我也這樣認為，但是你把run()中的synchronized前面的注釋去掉，重新編譯運行，有改觀嗎？沒有。為什么？
這是因為，當緩沖區已滿，生產者在put()操作時，put()內部調用了await()方法，放棄了線程的執行，然后消費者線程執行，調用take()方法，take()內部調用了signal()方法，通知生產者線程可以執行，致使在消費者的println()還沒運行的情況下生產者的println()先被執行，所以有了上面的輸出。run()中的synchronized其實并沒有起什么作用。
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，一個線程將數據寫入管道，另一個線程從管道讀取數據，這樣便構成了一種生產者/消費者的緩沖區編程模式。
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值，這是因為PipedInputStream/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