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生产者与消费者模型

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前言简介

生产者和消费者问题是线程模型中的经典问题：生产者和消费者在同一时间段内共用同一个存储空间，生产者往存储空间中添加产品，消费者从存储空间中取走产品，当存储空间为空时，消费者阻塞，当存储空间满时，生产者阻塞。

举例说明：

  1. 你把信写好——相当于生产者制造数据
  2. 你把信放入邮筒——相当于生产者把数据放入缓冲区
  3. 邮递员把信从邮筒取出——相当于消费者把数据取出缓冲区
  4. 邮递员把信拿去邮局做相应的处理——相当于消费者处理数据

具体实现方式

为什么要使用生产者和消费者模式

在线程世界里，生产者就是生产数据的线程，消费者就是消费数据的线程。在多线程开发当中，如果生产者处理速度很快，而消费者处理速度很慢，那么生产者就必须等待消费者处理完，才能继续生产数据。同样的道理，如果消费者的处理能力大于生产者，那么消费者就必须等待生产者。为了解决这个问题于是引入了生产者和消费者模式。

生产者和消费者问题的不同实现方式

1. 不完善的实现(会导致死锁)

int itemCount = 0;//总数量

procedure producer() {//生产者
    while (true) {
        item = produceItem();//生产一个
        if (itemCount == BUFFER_SIZE) {//生产满则睡眠
            sleep();
        }
        putItemIntoBuffer(item);//缓冲区放入一个
        itemCount = itemCount + 1;
        if (itemCount == 1) {
            wakeup(consumer);//唤醒消费者
        }
    }
}

procedure consumer() {//消费者
    while (true) {
        if (itemCount == 0) {//消费完则睡眠
            sleep();
        }
        item = removeItemFromBuffer();//缓冲区减少一个
        itemCount = itemCount - 1;
        if (itemCount == BUFFER_SIZE - 1) {
            wakeup(producer);//唤醒生产者
        }
        consumeItem(item);//消费一个
    }
}

上面代码中的问题在于它可能导致竞争条件，进而引发死锁。考虑下面的情形：

  1. 消费者把最后一个 itemCount 的内容读出来，注意它现在是零。消费者返回到 while 的起始处，现在进入 if 块；
  2. 就在调用 sleep 之前，CPU 决定将时间让给生产者，于是消费者在执行 sleep 之前就被中断了，生产者开始执行；
  3. 生产者生产出一项数据后将其放入缓冲区，然后在 itemCount 上加 1；
  4. 由于缓冲区在上一步加 1 之前为空，生产者尝试唤醒消费者；
  5. 遗憾的是，消费者并没有在休眠，唤醒指令不起作用。当消费者恢复执行的时候，执行 sleep，一觉不醒。出现这种情况的原因在于，消费者只能被生产者在 itemCount 为 1 的情况下唤醒；
  6. 生产者不停地循环执行，直到缓冲区满，随后进入休眠。

由于两个线程都进入了永远的休眠，死锁情况出现了。因此，该算法是不完善的。

2. 使用信号灯的算法

semaphore fillCount = 0; // 生产的项目 总存量
semaphore emptyCount = BUFFER_SIZE; // 剩余空间

procedure producer() {
    while (true) {
        item = produceItem();//生产
        down(emptyCount);//减少剩余空间
            putItemIntoBuffer(item);//缓冲区增加
        up(fillCount);//增加存量
    }
}

procedure consumer() {
    while (true) {
        down(fillCount);//减少存量
            item = removeItemFromBuffer();//缓冲区减少
        up(emptyCount);//增加剩余空间
        consumeItem(item);//消费
    }
}

上述方法在只有一个生产者和一个消费者时能解决问题。对于多个生产者或者多个消费者共享缓冲区的情况，该算法也会导致竞争条件，出现两个或以上的进程同时读或写同一个缓冲区槽的情况。

为了解决这个问题，需要在保证同一时刻只有一个生产者能够执行 putItemIntoBuffer()。也就是说，需要寻找一种方法来互斥地执行临界区的代码。为了达到这个目的，可引入一个二值信号灯 mutex，其值只能为 1 或者 0。如果把线程放入 down(mutex) 和 up(mutex) 之间，就可以限制只有一个线程能被执行。多生产者、消费者的解决算法如下

semaphore mutex = 1;
semaphore fillCount = 0;
semaphore emptyCount = BUFFER_SIZE;

procedure producer() {
    while (true) {
        item = produceItem();
        down(emptyCount);
            down(mutex);//获取锁
                putItemIntoBuffer(item);
            up(mutex);//释放锁
        up(fillCount);
    }
}
procedure consumer() {
    while (true) {
        down(fillCount);
            down(mutex);
                item = removeItemFromBuffer();
            up(mutex);
        up(emptyCount);
        consumeItem(item);
    }
}

3. 使用管程的算法

monitor ProducerConsumer {
    int itemCount
    condition full;
    condition empty;

    procedure add(item) {
        while (itemCount == BUFFER_SIZE)
            wait(full);
        putItemIntoBuffer(item);
        itemCount = itemCount + 1;
        if (itemCount == 1)
            notify(empty);
    }

    procedure remove() {
        while (itemCount == 0)
            wait(empty);
        item = removeItemFromBuffer();
        itemCount = itemCount - 1;
        if (itemCount == BUFFER_SIZE - 1)
            notify(full);
        return item;
    }
}

procedure producer() {
    while (true) {
        item = produceItem()
               ProducerConsumer.add(item)
    }
}

procedure consumer() {
    while (true) {
        item = ProducerConsumer.remove()
               consumeItem(item)
    }
}

注意代码中 while 语句的用法，都是用在测试缓冲区是否已满或空的时候。当存在多个消费者时，有可能造成竞争条件的情况是：某一消费者在一项数据被放入缓冲区中时被唤醒，但是另一消费者已经在管程上等待了一段时间并移除了这项数据。如果 while 语句被改成 if，则会出现放入缓冲区的数据项过多，或移除空缓冲区中的元素的情况。

java 的 5 种实现方式

1. wait()和 notify()方法的实现

这也是最简单最基础的实现，缓冲区满和为空时都调用 wait()方法等待，当生产者生产了一个产品或者消费者消费了一个产品之后会唤醒所有线程。

/**
 * @author shangjing
 * @date 2018/11/22 3:26 PM
 * @describe wait,notify实现
 */
public class WaitTest {

    private static int count = 0;

    private static final int buffCount = 10;

    private static String lock = "lock";


    class Producer implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                synchronized (lock) {
                    while (count == buffCount) {
                        try {
                            lock.wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                    count++;
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-生产者生产，数量为:" + count);
                    lock.notifyAll();
                }
            }
        }
    }

    class Consumer implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

                synchronized (lock) {
                    while (count == 0) {
                        try {
                            lock.wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                    count--;
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-消费者消费，数量为："+ count);
                    lock.notifyAll();
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        WaitTest waitTest = new WaitTest();
        new Thread(waitTest.new Producer()).start();
        new Thread(waitTest.new Consumer()).start();
        new Thread(waitTest.new Producer()).start();
        new Thread(waitTest.new Consumer()).start();
        new Thread(waitTest.new Producer()).start();
        new Thread(waitTest.new Consumer()).start();

    }

}

2. 可重入锁 ReentrantLock 的实现

java.util.concurrent.lock 中的 Lock 框架是锁定的一个抽象，通过对 lock 的 lock()方法和 unlock()方法实现了对锁的显示控制，而 synchronize()则是对锁的隐性控制。
可重入锁，也叫做递归锁，指的是同一线程 外层函数获得锁之后 ，内层递归函数仍然有获取该锁的代码，但不受影响，简单来说，该锁维护这一个与获取锁相关的计数器，如果拥有锁的某个线程再次得到锁，那么获取计数器就加 1，函数调用结束计数器就减 1，然后锁需要被释放两次才能获得真正释放。已经获取锁的线程进入其他需要相同锁的同步代码块不会被阻塞。

/**
 * @author shangjing
 * @date 2018/11/22 3:53 PM
 * @describe
 */
public class LockTest {

    private static int count = 0;

    private static final int buffCount = 10;

    private static Lock lock = new ReentrantLock();

    //创建两个条件变量，一个为缓冲区非满，一个为缓冲区非空
    private final Condition notFull = lock.newCondition();
    private final Condition notEmpty = lock.newCondition();

    class Producer implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
               lock.lock();
                try {
                    while (count == buffCount) {
                        try {
                            notFull.await();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                    count++;
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-生产者生产，数量为:" + count);
                    notEmpty.signal();
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        }
    }

    class Consumer implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

                lock.lock();
                try {
                    while (count == 0) {
                        try {
                            notEmpty.await();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                    count--;
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-消费者消费，数量为："+ count);
                    notFull.signal();
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        LockTest lockTest = new LockTest();
        new Thread(lockTest.new Producer()).start();
        new Thread(lockTest.new Consumer()).start();
        new Thread(lockTest.new Producer()).start();
        new Thread(lockTest.new Consumer()).start();
        new Thread(lockTest.new Producer()).start();
        new Thread(lockTest.new Consumer()).start();
    }
}

3. 阻塞队列 BlockingQueue 的实现（最简单）

BlockingQueue 即阻塞队列，从阻塞这个词可以看出，在某些情况下对阻塞队列的访问可能会造成阻塞。被阻塞的情况主要有如下两种:

当队列满了的时候进行入队列操作
当队列空了的时候进行出队列操作
因此，当一个线程对已经满了的阻塞队列进行入队操作时会阻塞，除非有另外一个线程进行了出队操作，当一个线程对一个空的阻塞队列进行出队操作时也会阻塞，除非有另外一个线程进行了入队操作。
从上可知，阻塞队列是线程安全的。

/**
 * @author shangjing
 * @date 2018/11/22 4:05 PM
 * @describe
 */
public class BlockingQueueTest {

    private static int count = 0;

    private final BlockingQueue blockingQueue = new LinkedBlockingQueue(10);

    class Producer implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                try {
                    blockingQueue.put(1);
                    count++;
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-生产者生产，数量为:" + count);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    class Consumer implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

                try {
                    blockingQueue.take();
                    count--;
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-消费者消费，数量为："+ count);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueueTest blockingQueueTest = new BlockingQueueTest();
        new Thread(blockingQueueTest.new Producer()).start();
        new Thread(blockingQueueTest.new Consumer()).start();
        new Thread(blockingQueueTest.new Producer()).start();
        new Thread(blockingQueueTest.new Consumer()).start();
        new Thread(blockingQueueTest.new Producer()).start();
        new Thread(blockingQueueTest.new Consumer()).start();

    }
}

4. 信号量 Semaphore 的实现

Semaphore（信号量）是用来控制同时访问特定资源的线程数量，它通过协调各个线程，以保证合理的使用公共资源，在操作系统中是一个非常重要的问题，可以用来解决哲学家就餐问题。Java 中的 Semaphore 维护了一个许可集，一开始先设定这个许可集的数量，可以使用 acquire()方法获得一个许可，当许可不足时会被阻塞，release()添加一个许可。在下列代码中，还加入了另外一个 mutex 信号量，维护生产者消费者之间的同步关系，保证生产者和消费者之间的交替进行

/**
 * @author shangjing
 * @date 2018/11/22 4:20 PM
 * @describe
 */
public class SemaphoreTest {

    private static int count = 0;

    //创建三个信号量
    private final Semaphore notFull = new Semaphore(10);
    private final Semaphore notEmpty = new Semaphore(0);
    private final Semaphore mutex = new Semaphore(1);


    class Producer implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                try {
                    notFull.acquire();//获取许可
                    mutex.acquire();
                    count++;
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-生产者生产，数量为:" + count);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }finally {
                    mutex.release();//释放
                    notEmpty.release();
                }
            }
        }
    }

    class Consumer implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

                try {
                    notEmpty.acquire();
                    mutex.acquire();
                    count--;
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "-消费者消费，数量为："+ count);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    mutex.release();
                    notFull.release();
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        SemaphoreTest semaphoreTest = new SemaphoreTest();
        new Thread(semaphoreTest.new Producer()).start();
        new Thread(semaphoreTest.new Consumer()).start();
        new Thread(semaphoreTest.new Producer()).start();
        new Thread(semaphoreTest.new Consumer()).start();
        new Thread(semaphoreTest.new Producer()).start();
        new Thread(semaphoreTest.new Consumer()).start();

    }
}

5. 管道输入输出流 PipedInputStream 和 PipedOutputStream 实现

在 java 的 io 包下，PipedOutputStream 和 PipedInputStream 分别是管道输出流和管道输入流。
它们的作用是让多线程可以通过管道进行线程间的通讯。在使用管道通信时，必须将 PipedOutputStream 和 PipedInputStream 配套使用。
使用方法：先创建一个管道输入流和管道输出流，然后将输入流和输出流进行连接，用生产者线程往管道输出流中写入数据，消费者在管道输入流中读取数据，这样就可以实现了不同线程间的相互通讯，但是这种方式在生产者和生产者、消费者和消费者之间不能保证同步，也就是说在一个生产者和一个消费者的情况下是可以生产者和消费者之间交替运行的，多个生成者和多个消费者者之间则不行

/**
 * @author shangjing
 * @date 2018/11/22 4:29 PM
 * @describe
 */
public class PipedTest {

    private final PipedInputStream pis = new PipedInputStream();
    private final PipedOutputStream pos = new PipedOutputStream();

    {
        try {
            pis.connect(pos);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    class Producer implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            try {
                while(true) {
                    Thread.sleep(1000);
                    int num = (int) (Math.random() * 255);
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "生产者生产了一个数字，该数字为： " + num);
                    pos.write(num);
                    pos.flush();
                }
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                try {
                    pos.close();
                    pis.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    class Consumer implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            try {
                while(true) {
                    Thread.sleep(1000);
                    int num = pis.read();
                    System.out.println("消费者消费了一个数字，该数字为：" + num);
                }
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                try {
                    pos.close();
                    pis.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        PipedTest pipedTest = new PipedTest();
        new Thread(pipedTest.new Producer()).start();
        new Thread(pipedTest.new Consumer()).start();

    }
}

消费者生产者并行的优化实现

上面的实现方式生产者和消费者是互斥的，效率并不是最好。可以采用多个生产者(多个消费者)串行执行，生产者与消费者之间并行执行，提升效率。

更高并发性能的 Lock 实现：

需要两个锁 CONSUME_LOCK 与 PRODUCE_LOCK，CONSUME_LOCK 控制消费者线程并发出队，PRODUCE_LOCK 控制生产者线程并发入队；相应需要两个条件变量 NOT_EMPTY 与 NOT_FULL，NOT_EMPTY 负责控制消费者线程的状态（阻塞、运行），NOT_FULL 负责控制生产者线程的状态（阻塞、运行）。以此让优化消费者与消费者（或生产者与生产者）之间是串行的；消费者与生产者之间是并行的。

  • 设计模式

    设计模式（Design pattern）代表了最佳的实践，通常被有经验的面向对象的软件开发人员所采用。设计模式是软件开发人员在软件开发过程中面临的一般问题的解决方案。这些解决方案是众多软件开发人员经过相当长的一段时间的试验和错误总结出来的。

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生产者与消费者模型

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