【JUC基础】06. 生产者和消费者问题

有一只柴犬
161 阅读6分钟

1、前言

学习JUC，就不得不提生产者消费者。生产者消费者模型是一种经典的多线程模型，用于解决生产者和消费者之间的数据交换问题。在生产者消费者模型中，生产者生产数据放入共享的缓冲区中，消费者从缓冲区中取出数据进行消费。在这个过程中，生产者和消费者之间需要保持同步，以避免数据出现错误或重复。今天我们就来说说生产者消费者模型，以及JUC中如何解决该模型的同步问题。

2、什么是生产者消费者问题

生产者消费者问题是一种经典的多线程问题，用于描述生产者和消费者之间的数据交换问题。其实本质上就是线程间通信问题，即线程等待唤醒和通知唤醒。

生产者消费者问题通常包含以下三个元素：

  1. 生产者：负责生产数据，并将其放入共享的缓冲区中。
  2. 消费者：负责从缓冲区中取出数据，并进行消费。
  3. 缓冲区：用于存放生产者生产的数据，消费者从中取出数据进行消费。

在实际应用中，生产者和消费者可能存在速度差异，导致缓冲区的数据量不断变化。如果缓冲区满了，生产者需要等待，直到消费者取走了一部分数据。同样，如果缓冲区为空，消费者需要等待，直到生产者生产了一些数据放入缓冲区中。

3、Synchronized解决方案

synchronized解决方案，一般采用wait()（等待唤醒）和notifyAll()（通知唤醒）进行线程的同步通信。

  • wait()方法用于使当前线程等待，直到另一个线程调用相同对象上的notify()方法或notifyAll()方法来唤醒它。wait()方法必须在synchronized块或方法中调用，以确保线程获得对象的监视器锁。
  • notify()方法用于通知等待在相同对象上的某个线程，告诉它们可以继续运行。
  • notifyAll()方法则通知等待在相同对象上的所有线程。

调用wait()方法会释放锁，使当前线程进入等待状态，直到其他线程调用相同对象上的notify()方法或notifyAll()方法唤醒它。而notify()方法则会随机选择一个等待的线程唤醒，而notifyAll()则会唤醒所有等待的线程，让它们竞争锁。

public class ProducerConsumerExample {
    public static void main(String[] args) {
        NumberOper object = new NumberOper();

        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                object.add();
            }
        }, "thread-add-1").start();

        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                object.sub();
            }
        }, "thread-sub-1").start();
    }
}

class NumberOper {
    private int number = 0;

    public synchronized void add() {
        if(number != 0) {
            try {
                // 等待唤醒
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        number++;
        System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "执行了add()，number====>" + number);

        // 通知其他唤醒
        this.notifyAll();
    }

    public synchronized void sub() {
        if(number == 0) {
            try {
                // 等待唤醒
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        number--;
        System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "执行了sub()，number====>" + number);

        // 通知其他唤醒
        this.notifyAll();
    }
}

执行结果：

image.png

不过需要注意的是，上面的代码没有考虑到多线程并发的情况，如果多个生产者和多个消费者同时访问缓冲区，就需要使用线程安全的数据结构或加锁来保证线程安全。也就是虚假唤醒问题。

image.png

虚假唤醒问题，请参考《wait()，notify()虚假唤醒》篇幅。

4、Lock解决方案

Synchronized解决方案，主要是依赖于wait()和notify()方法解决。相应的JUC中的Lock也是类似的解决手段。

  • Synchronized：（注意wait()和notify()方法是Object的方法）
    • wait()：线程等待，直到其他线程将他唤醒
    • notify()：唤醒其他等待的线程
    • notifyAll()：换新所有等待的线程
  • Lock：
    • await()：线程等待，直到其他线程将他唤醒
    • signal()：唤醒正在等待的线程
    • signalAll()：唤醒正在等待的线程

使用JUC Lock来解决生产者消费者问题，可以使用Condition（条件变量）来实现。

Condition是基于Lock来创建的，每个Condition对象都和一个Lock对象绑定。Condition对象提供了类似wait()和notify()的方法来控制线程的等待和唤醒。Condition对象可以通过Lock对象的newCondition()方法创建。

生产者消费者问题中，我们可以使用两个Condition对象来控制生产者和消费者的等待和唤醒。当缓冲区为空时，消费者线程等待，当缓冲区满时，生产者线程等待。

image.png

package com.github.fastdev.waitnotify;

import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/** * @author Shamee loop * @date 2023/4/9 */
public class ProducerConsumerExample {

    public static void main(String[] args) {
        NumberOper object = new NumberOper();

        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                object.add();
            }
        }, "thread-add-1").start();

        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                object.sub();
            }
        }, "thread-sub-1").start();
    }
}


class NumberOper {
    private int number = 0;
    Lock lock = new ReentrantLock();
    Condition condition = lock.newCondition();

    public void add() {
        lock.lock();
        try {
            if (number != 0) {
                condition.await();
            }
            number++;
            System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "执行了add()，number====>" + number);
            condition.signalAll();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void sub() {
        lock.lock();
        try {
            if (number == 0) {
                condition.await();
            }
            number--;
            System.out.println("线程" + Thread.currentThread().getName() + "执行了sub()，number====>" + number);
            condition.signalAll();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

}

执行结果：

image.png

5、Condition

那么既然synchronized就能解决生产者消费者问题，为什么还需要JUC的Lock这种方式呢？ 从代码量上看，Lock的方式明显比较繁琐。

当然，存在即合理。JUC实现了Lock的方式，且引入了Condition。肯定是具备了synchronized所没有的特性。

试想一个场景：

synchronized的notify()虽然唤醒了等待的线程。但是如果存在多个等待的线程呢？唤醒后获得执行权的需要取决于分配策略。那么有没有一种可能，我需要指定唤醒某个等待的线程？Condition就来了，他可以指定唤醒某个线程，也就是精准唤醒。

Condition 是 Java 中 Lock 的一个重要组件，可以用于实现更加灵活、高效的线程同步。它提供了类似于 Object.wait() 和 Object.notify() 的等待/通知机制，但相较于传统的 synchronized，它更加灵活，可以实现更多高级特性。

Condition 的主要作用是允许线程在等待某些条件的情况下暂停执行（即阻塞线程），并且当条件满足时，可以重新唤醒这些线程。Condition 与 Lock 一起使用，通常需要创建一个 Lock 对象，然后调用 Lock 的 newCondition() 方法来创建一个 Condition 对象。

Condition 接口中最常用的方法包括：

  • await()：当前线程等待，直到被通知或中断；
  • awaitUninterruptibly()：当前线程等待，直到被通知，但不会响应中断；
  • signal()：唤醒一个等待中的线程；
  • signalAll()：唤醒所有等待中的线程。
import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class ProducerConsumerExample {

    private final Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();
    private final int capacity = 10;
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition notEmpty = lock.newCondition();
    private final Condition notFull = lock.newCondition();

    public void produce() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (queue.size() == capacity) {
                notFull.await();
            }
            int num = (int) (Math.random() * 100);
            queue.add(num);
            System.out.println("Produced " + num);

            // 指定唤醒线程
            notEmpty.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public void consume() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (queue.isEmpty()) {
                notEmpty.await();
            }
            int num = queue.remove();
            System.out.println("Consumed " + num);

            // 指定唤醒线程
            notFull.signal();
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        ProducerConsumerExample example = new ProducerConsumerExample();
        Thread producerThread1 = new Thread(() -> {
            while (true) {
                try {
                    example.produce();
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });

        Thread producerThread2 = new Thread(() -> {
            while (true) {
                try {
                    example.produce();
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });

        Thread consumerThread1 = new Thread(() -> {
            while (true) {
                try {
                    example.consume();
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });

        Thread consumerThread2 = new Thread(() -> {
            while (true) {
                try {
                    example.consume();
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });

        producerThread1.start();
        producerThread2.start();
        consumerThread1.start();
        consumerThread2.start();
    }
}

6、小结

到此，我们学习了生产者和消费者模型，以及他的一些问题，以及如何解决。还接触了Locks中的另一个类Condition的使用。一天进步一点点，一起加油~

avatar
文章
阅读
粉丝