Java 多執行緒基礎（十二）生產者與消費者

學無止境發表於2020-06-25
Java執行緒

 Java 多執行緒基礎（十二）生產者與消費者

一、生產者與消費者模型

生產者與消費者問題是個非常典型的多執行緒問題，涉及到的物件包括“生產者”、“消費者”、“倉庫”和“產品”。他們之間的關係如下：

①、生產者僅僅在倉儲未滿時候生產，倉滿則停止生產。
②、消費者僅僅在倉儲有產品時候才能消費，倉空則等待。
③、當消費者發現倉儲沒產品可消費時候會通知生產者生產。
④、生產者在生產出可消費產品時候，應該通知等待的消費者去消費。

生產者消費者模型具體來講，就是在一個系統中，存在生產者和消費者兩種角色，他們通過記憶體緩衝區進行通訊，生產者生產消費者需要的資料，消費者把資料做成產品。生產消費者模式如下圖。

在日益發展的服務型別中，譬如註冊使用者這種服務，它可能解耦成好幾種獨立的服務（賬號驗證，郵箱驗證碼，手機簡訊碼等）。它們作為消費者，等待使用者輸入資料，在前臺資料提交之後會經過分解併傳送到各個服務所在的url，分發的那個角色就相當於生產者。消費者在獲取資料時候有可能一次不能處理完，那麼它們各自有一個請求佇列，那就是記憶體緩衝區了。做這項工作的框架叫做訊息佇列。

二、生產者與消費者實現

下面通過生產包子的例子及wait()/notify()方式實現該模型(後面學習執行緒池相關內容之後，再通過其它方式實現生產/者消費者模型)。

麵包類：

public class Bread {
    private int capacity;    // 麵包的容量
    private int size;        // 麵包的實際數量
    public Bread(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
        this.size = 0;
    }
    
    // 生產麵包
    public synchronized void produce(int val) {
        try {
             // left 表示“想要生產的數量”(有可能生產量太多，需多此生產)
            int left = val;
            while (left > 0) {
                // 庫存已滿時，等待“消費者”消費產品。
                while (size >= capacity)
                    wait();
                // 獲取“實際生產的數量”(即庫存中新增的數量)
                // 如果“庫存”+“想要生產的數量”>“總的容量”，則“實際增量”=“總的容量”-“當前容量”。(此時填滿倉庫)
                // 否則“實際增量”=“想要生產的數量”
                int inc = (size+left)>capacity ? (capacity-size) : left;
                size += inc;
                left -= inc;
                System.out.printf("%s produce(%3d) --> left=%3d, inc=%3d, size=%3d\n",
                        Thread.currentThread().getName(), val, left, inc, size);
                // 通知“消費者”可以消費了。
                notifyAll();
            }
        }catch(InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    // 消費麵包
    public synchronized void consume(int val) {
        try {
             // left 表示“客戶要消費數量”(有可能消費量太大，庫存不夠，需多此消費)
            int left = val;
            while (left > 0) {
                // 庫存為0時，等待“生產者”生產產品。
                while (size <= 0)
                    wait();
                // 獲取“實際消費的數量”(即庫存中實際減少的數量)
                // 如果“庫存”<“客戶要消費的數量”，則“實際消費量”=“庫存”；
                // 否則，“實際消費量”=“客戶要消費的數量”。
                int dec = (size<left) ? size : left;
                size -= dec;
                left -= dec;
                System.out.printf("%s consume(%3d) <-- left=%3d, dec=%3d, size=%3d\n",
                        Thread.currentThread().getName(), val, left, dec, size);
                notifyAll();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

生產者類

public class Producer{
    Bread bread;
    public Producer(Bread bread) {
        this.bread = bread;
    }
    public void produce(final int val) {
        new Thread(() -> {
            bread.produce(val);
        }).start();;
    }
}

消費者類

public class Customer {
    private Bread bread;
    public Customer(Bread bread) {
        this.bread = bread;
    }
    public void consume(final int val) {
        new Thread(() -> {
            bread.consume(val);
        }).start();;
    }
}

測試類程式碼

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        Bread bread = new Bread(100);
        Producer producer = new Producer(bread);
        Cunstomer customer = new Customer(bread);
        
        producer.produce(60);
        producer.produce(120);
        consumer.consume(90);
        consumer.consume(150);
        producer.produce(110);
    }
}
// 執行結果
Thread-1 produce( 60) --> left=  0, inc= 60, size= 60
Thread-5 produce(110) --> left= 70, inc= 40, size=100
Thread-4 consume(150) <-- left= 50, dec=100, size=  0
Thread-2 produce(120) --> left= 20, inc=100, size=100
Thread-3 consume( 90) <-- left=  0, dec= 90, size= 10
Thread-4 consume(150) <-- left= 40, dec= 10, size=  0
Thread-5 produce(110) --> left=  0, inc= 70, size= 70
Thread-4 consume(150) <-- left=  0, dec= 40, size= 30
Thread-2 produce(120) --> left=  0, inc= 20, size= 50

說明：

①、Producer是“生產者”類，它與“麵包(bread)”關聯。當呼叫“生產者”的produce()方法時，它會新建一個執行緒並向“麵包類”中生產產品。
②、Customer是“消費者”類，它與“麵包(bread)”關聯。當呼叫“消費者”的consume()方法時，它會新建一個執行緒並消費“麵包類”中的產品。
③、Bread是麵包類，記錄“麵包的產量(capacity)”以及麵包當前實際數目(size)”。
        麵包類的生產方法produce()和消費方法consume()方法都是synchronized方法，進入synchronized方法體，意味著這個執行緒獲取到了該“麵包”物件的同步鎖。這也就是說，同一時間，生產者和消費者執行緒只能有一個能執行。通過同步鎖，實現了對“殘酷”的互斥訪問。
       對於生產方法 produce() 而言：當面包量滿時，生產者執行緒等待，需要等待消費者消費產品之後，生產執行緒才能生產；生產者執行緒生產完麵包之後，會通過 notifyAll() 喚醒同步鎖上的所有執行緒，包括“消費者執行緒”，即我們所說的“通知消費者進行消費”。
      對於消費方法consume()而言：當倉庫為空時，消費者執行緒等待，需要等待生產者生產產品之後，消費者執行緒才能消費；消費者執行緒消費完產品之後，會通過 notifyAll() 喚醒同步鎖上的所有執行緒，包括“生產者執行緒”，即我們所說的“通知生產者進行生產”。

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