java多執行緒：執行緒間通訊——生產者消費者模型

Life_Goes_On發表於2020-08-19
Java執行緒模型

一、背景 && 定義

多執行緒環境下，只要有併發問題，就要保證資料的安全性，一般指的是通過 synchronized 來進行同步。

另一個問題是，多個執行緒之間如何協作呢？

我們看一個倉庫出貨問題（更具體一些，快餐店直接放好炸貨的架子，不過每次只放一份）

  1. 假設倉庫中只能存放一件商品，生產者將生產出來的產品放入倉庫，消費者將倉庫中產品取走進行消費；
  2. 如果倉庫中沒有商品，那麼生產者將產品放入倉庫，否則停止生產並等待，直到倉庫中的產品被消費者取走為止；
  3. 如果倉庫中放有產品，消費者可快速取走並消費，否則停止消費並等待，直到倉庫中再次放入產品為止。

這其實就是一個執行緒同步問題。生產者和消費者共享同一個資源，並且生產者和消費者之間互相依賴，互為條件。

如果一個快餐店：
先點單，餐出來之後再收錢。這種模式叫BIO-阻塞IO模式。
如果一個快餐店：
先收錢，收完錢消費者在旁邊等。這種就是生產者-消費者模式。

這類問題裡，同步的候只有 synchronized 是不夠的，因為他雖然能解決資源的共享問題，實現資源的同步更新，但是無法在不同執行緒之間進行訊息傳遞（通訊）。

所以只有我們之前所說的加鎖和排隊是不夠的，還要有通知。

定義：

生產者和消費者在同一時間段內共用同一個儲存空間，生產者往儲存空間中新增產品，消費者從儲存空間中取走產品，當儲存空間為空時，消費者阻塞，當儲存空間滿時，生產者阻塞。

為了解決雙方能力不等而等待的問題，引入對應的解決方案。生產者消費者模型是一種併發協作模型。

二、解決方式介紹

2.1 管程法

  1. 生產者：負責生產資料的模組（模組可能是方法、物件、執行緒、程式）；
  2. 消費者：負責處理資料的模組（模組可能是方法、物件、執行緒、程式）；
  3. 緩衝區：消費者不能直接使用生產者的資料，它們之間有個“緩衝區”（緩衝區一般是佇列）。

生產者和消費者都是通過緩衝區進行資料的 放 和 拿 。

這樣的話，一來可以避免旱的旱死，澇的澇死的問題：不管哪一方過快或者過慢，緩衝區始終有一部分資料；二來能夠達到生產者和消費者的解耦，不再直接通訊，從而提高效率。

因為容器相當於一個輸送商品的管道，所以成為管程法。

2.2 訊號燈法

採用類似紅燈綠燈的模式，決定車走還是人走。

  • 管程法使用容器的狀態來控制，資料在容器中；
  • 而訊號燈法只是用訊號來給生產者和消費者提醒，他們的互動資料並不由訊號燈來保管。

2.3 Object類

jdk 裡面 Object 類老早就有提供解決執行緒間通訊的問題的方法：

  1. wait()：表示執行緒一直等待，直到其他執行緒通知（也就是呼叫了notify或者notifyAll方法），與sleep不同，會釋放鎖；
  2. wait(long timeout)：指定時間；
  3. notify()：喚醒一個處於等待狀態的執行緒；
  4. notifyAll()：喚醒同一個物件上所有呼叫 wait() 方法的執行緒，優先順序別高的執行緒優先排程。

這幾個方法都是在同步方法或者同步程式碼塊中使用，否則會丟擲異常。

（很多面試題問 Java 的 Object 類有哪些方法，都是希望得到關於這塊的答案，引到多執行緒）

三、管程法實現

管程法實現的四個角色：

  1. 生產者和消費者都是多執行緒；
  2. 中間的緩衝區應該是一個容器，並且需要的是一個併發容器，java.util.concurrent包裡面已經提供了；
  3. 資源，也就是各個角色來回交換的商品。

利用 Object 類的幾個方法，來實現管程法，以下是程式碼示例：

/**
* 協作模型：生產者消費者模型實現：管程法
*/
public class Cooperation1 {
    public static void main(String[] args) {
        Container container = new Container();
        new Producer(container).start();
        new Consumer(container).start();
    }
}

/**
* 生產者
*/
class Producer extends Thread{
    Container container;
    public Producer(Container container){
        this.container = container;
    }
    @Override
    public void run() {
        //生產過程
        for (int i=0; i<10; i++){
            System.out.println("生產第 " + i + " 個饅頭");
            container.push(new Hamburger(i));
        }
    }
}

/**
* 消費者
*/
class Consumer extends Thread{
    Container container;
    public Consumer(Container container){
        this.container = container;
    }
    @Override
    public void run() {
        //消費過程
        for (int i=0; i<10; i++){
            System.out.println("消費第 " + container.pop().id + " 個饅頭");
        }
    }
}

/**
* 緩衝區，操作商品，並和生產者、消費者互動
*/
class Container{
    Hamburger[] food = new Hamburger[10];
    private int count = 0;
    //儲存：生產
    public synchronized void push(Hamburger hamburger){
        if (count == food.length){
            try {
                this.wait();//阻塞，但是等待消費者通知後會解除
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        food[count++] = hamburger;
        this.notifyAll();//說明存在資料了，通知消費者消費
    }
    //獲取：消費
    public synchronized Hamburger pop(){
        if (count ==0 ){
            try {
                this.wait();//阻塞，直到生產者通知後會解除
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        Hamburger ans = food[--count];
        this.notifyAll();//存在空餘空間了，通知生產者生產
        return ans;
    }
}

/**
* 商品
*/
class Hamburger{
    int id;
    public Hamburger(int id) {
        this.id = id;
    }
}

其中的核心有這麼幾點：

  1. 容器相當於一個棧，是後進先出的；
  2. 容器的兩個方法對於資源的操作，一個和生產者互動，一個和消費者互動，除了 synchronized 修飾，因為兩個方法是互斥的，所以利用 wait 和 notify 方法使他們完成阻塞和解除阻塞；
  3. 生產者和容器互動，新增資料；
  4. 消費者和容器互動，刪除資料。

前面關於 執行緒的阻塞問題，生命週期裡的阻塞，完整的可能情況，就包含這裡的阻塞情況：

java多執行緒：執行緒間通訊——生產者消費者模型

四、訊號燈法實現

和上一種通過容器的容量讓執行緒之間互相通知的方法不同，訊號燈法沒有用資料快取的方式，而是用訊號燈來指示雙方，對方是否已經準備好了要和你通訊。

下面是一個 電視直播和觀眾的程式碼示例，通過訊號燈，通知演員和觀眾直播，確保演員在演的時候，讓觀眾來看。

/**
* 協作模型：生產者消費者實現：訊號燈法
*/
public class Cooperation2 {
    public static void main(String[] args) {
        TV tv = new TV();
        new Actor(tv).start();
        new Fans(tv).start();
    }
}
/**
* 生產者：演員
*/
class Actor extends Thread{
    TV tv;
    public Actor(TV tv){
        this.tv = tv;
    }
    @Override
    public void run() {
        for (int i=0; i<10; i++){
            if (i%2 == 0){
                this.tv.play("節目 " + i);
            }else{
                this.tv.play("廣告 " + i);
            }
        }
    }
}
/**
* 消費者：觀眾
*/
class Fans extends Thread{
    TV tv;
    public Fans(TV tv){
        this.tv = tv;
    }
    @Override
    public void run() {
        for (int i=0; i<10; i++){
            tv.watch();
        }
    }
}

/**
* 共同資源：電視直播
*/
class TV{
    String voice;
    //訊號燈，如果為真則演員準備，觀眾等待
    //如果為假，則觀眾就位，演員等待
    boolean flag = true;

    //表演方法：針對生產者
    public synchronized void play(String voice){
        //演員等待
        if (!flag){
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        this.voice = voice;
        System.out.println("表演 "+voice +" ing");
        //喚醒觀眾
        this.notifyAll();
        this.flag = !flag;
    }

    //觀看方法：針對消費者
    public synchronized void watch(){
        //觀眾等待
        if (flag){
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println("觀看 " + voice +" ing");
        this.notifyAll();
        this.flag = !flag;
    }
}

可以看到，相比管程法的核心區別是：

TV 沒有用一個容器儲存資料，只是通過生產者是否生產，來決定訊號燈的標誌，以此通知消費者來消費。

顯然這兩種實現方法，有不同的適用場景，那就是決定於生產者消費者是否有資料溝通。

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