java生產者與消費者模式

標籤：對象   http   trace   class   同步   this   運行   而不是   執行個體變數   

前言： 生產者和消費者模式是我們在學習多線程中很經典的一個模式，它主要分為生產者和消費者，分別是兩個線程，

目錄

一：生產者和消費者模式簡介

二：生產者和消費者模式的實現

聲明：本例來源於java經典著作：《Think in java》，接下來將會採用本例子將會借鑒其中的案例進行分析

首先我們來設想有一個這樣的情境：一個飯店裡有一個做飯的廚師和來吃飯的人，服務員負責端食物，這裡就可以把廚師當做生產者，（這裡暫且把服務員當做消費者），而食物則有這樣的過程，被廚師生產出來，然後被服務員消費。當食物存在的時候，廚師等待，不再進行生產，服務員進行消費。當食物為空白的時候，廚師開始生產食物，服務員等待。這中間就存在著一個線程之間協作的過程。我們來通過代碼進行類比：

 

首先是建立兩個線程，一個廚師線程，一個服務員線程，雙方進行協作：

以下是廚師線程：

public class Chef  implements  Runnable{ //product    private  Restaurant restaurant;    private  int count=0;    public Chef(Restaurant restaurant) {        this.restaurant = restaurant;    }    @Override    public void run() {        try {            while (!Thread.interrupted()) {                synchronized (this) {                    while (restaurant.meal != null) {                        wait();                    }                    if (++count==10){                        System.out.println("out of food,closing");                        restaurant.exec.shutdownNow();                    }                    System.out.println("Chef product meal"+count);                    synchronized (restaurant.waitPerson){                       restaurant.meal= new Meal(count);                       restaurant.waitPerson.notifyAll();                    }                    TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(100);                }            }        }catch (InterruptedException e){            System.out.println("Chef interruped");        }    }}

 

以下是服務員線程：

public class WaitPerson implements  Runnable{     private  Restaurant restaurant;    public WaitPerson(Restaurant restaurant) {        this.restaurant = restaurant;    }    @Override    public void run() {        try{            while (!Thread.interrupted()) {                synchronized (this) {                    while (restaurant.meal == null) {                        wait();                    }                    System.out.println("waitPerson got:"+restaurant.meal);                }                synchronized (restaurant.chef){                    restaurant.meal=null;                    restaurant.chef.notifyAll();                }            }        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();            System.out.println("waitPerson interrupdate");        }    }}

 我們來分析一下廚師線程，主要看它的run方法，裡麵包含著一個try、catch塊，首先它會一直捕獲線程的狀態，當它不處於interrupted(線程中斷，此時無法運轉)異常時，往下走。然後取得當前對象的鎖，把它上鎖，通過一個while迴圈，取得餐館裡面的meal，判斷其是否為null.當餐館裡面的餐還有剩餘的時候，此時生產者不需要工作，它處於wait狀態，注意wait和Thread.sleep的區別，sleep方法啟動並執行時候線程是不會丟棄鎖的，而wait方法會釋放鎖，所以此時，被鎖住的對象運行到wait方法，它已經釋放了鎖，因此消費者可以擷取到鎖。

再接著count會進行累加1。再接著鎖住服務員線程，此時服務員線程擷取鎖的主動權，它通過notifyAll方法喚醒所有的在鎖上等待線程，注意此處為什麼是notifyAll而不是notify，這主要是因為此刻廚師線程並不知道等待的線程究竟是幾條，為了安全執行緒起見，喚醒所有的等待線程。注意的是：notifyAll會喚醒所有線程，但是啟動並執行只是其中一個，關於這個線程的篩選，是完全隨機的。

喚醒了消費者線程，它就會運行到消費者線程，然後我們來看一下它的run方法，和之前的廚師線程差不多，依然是鎖住當前的消費者線程，不過線程此時的條件變成了meal為null。接著再擷取廚師的鎖，使其meal為null，再喚醒廚師線程，接著程式就會運轉到廚師線程，執行廚師的run方法

程式執行的結果：

Chef product meal1waitPerson got:Meal1Chef product meal2waitPerson got:Meal2Chef product meal3waitPerson got:Meal3Chef product meal4waitPerson got:Meal4Chef product meal5waitPerson got:Meal5Chef product meal6waitPerson got:Meal6Chef product meal7waitPerson got:Meal7Chef product meal8waitPerson got:Meal8Chef product meal9waitPerson got:Meal9out of food,closingChef product meal10Chef interrupedwaitPerson interrupdate

可以看到結果，線程有條不紊的運行，生產者每生產一個meal,發出order up訊號，然後消費者消費這個meal，再輪到生產者，再到消費者，這就是生產者和消費者的模式的意義，它們之間同步工作，不會出現消費者線程沒有meal的時候仍然去消費，生產者在有meal的時候依然去生產，這樣就會產生安全執行緒的問題。

 三：關於線程之間的通訊

3.1：wait和notfiy方法

 

 查詢jdk可以看出，wait和notify方法都是object的方法，也就是說java所有的對象都可以繼承這個方法。每個對象啟動並執行時候都可以關聯一個線程，調用wait方法就可以使當前線程處於等待狀態，等待的時候它的它會釋放掉鎖，此時其它對象可以擷取線程鎖。而wait方法和notify是進行相互溝通的，只有notify/notifyAll方法才能喚醒被wait方法等待的線程，notify會喚醒這個線程。

注意看它的解釋：喚醒在此對象監視器上等待的單個/所有線程，那麼問題來了。監視器又是什嗎？

3.2：java監視器

3.2.1:對監視器的解釋

監視器：monitor
鎖：lock(JVM裡只有一種獨佔方式的lock)
進入監視器：entermonitor
離開/釋放監視器：leavemonitor
(entermonitor和leavemonitor是JVM的指令)
擁有者：owner

在JVM裡，monitor就是實現lock的方式
entermonitor就是獲得某個對象的lock(owner是當前線程)
leavemonitor就是釋放某個對象的lock

 

3.2.2：通俗的解釋

      上面的這段話比較精簡，其實理解起來很簡單。有這樣一句話：程式即生活，我們把它代入到生活實際中試衣間來思考一下，其實不難理解這段話。我們去一個商城購買衣服，選擇好了，我們去試衣間，此刻好比對象entermonitor ，執行進入監視器這個指令，我們離開試衣間，就好比執行leavemonitor指令，這個monitor是一個狹小的空間，當一個對象進入的時候，其它對象就不能進入了。這其中的原理實現了隊列等待和競爭的，線程進入會先排隊，如果有線程進入監視器，當前線程就會等待，如果沒有就直接進入，新來的線程會和已經等待的線程進行競爭，但是最後只有一個能進入，進入監視器的線程可以訪問它的所有資料，包括類變數和執行個體變數。這也就實現了鎖的原理。

3.3：線程協作解決的問題

3.3.1:線程資料訪問的紊亂

假如沒有協作的話，資料之間的訪問一定會出現紊亂，比如生產者會可能在有很多meal的時候仍然會生產meal，消費者會在沒有meal的時候依然進行消費，這都是我們在多線程的程式中不願看到的，因為它會有很多不預期的事情發生

3.3.2：資料會錯位

資料之間會錯位，這體現在生產者會消費meal,而消費者會生產meal。此刻他們不能各自履行各自的職責，這也是我們極度不願意看到的，而不採用保障措施就會有這樣問題的出現。

可以看到

四：總結

 本篇部落客要引用《Thinking in java》中的一段進行講解，講了線程之間的通訊與協作的問題，如何合理運用wait和notify方法進行線程之間的通訊，實現一個系統有條不紊的運行。這其中的最關鍵點在於理解鎖的釋放與擷取的過程，以及線程的切換，生產者和消費者的相互溝通，協同工作的原理。

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