多線程必考的「生產(chǎn)者 - 消費(fèi)者」模型，看齊姐這篇文章就夠了

這里是《壹齊學(xué)多線程》系列的第 3 篇

生產(chǎn)者 - 消費(fèi)者模型 Producer-consumer problem 是一個(gè)非常經(jīng)典的多線程并發(fā)協(xié)作的模型，在分布式系統(tǒng)里非常常見。也是面試中無論中美大廠都非常愛考的一個(gè)問題，對(duì)應(yīng)屆生問的要少一些，但是對(duì)于有工作經(jīng)驗(yàn)的工程師來說，非常愛考。

這個(gè)問題有非常多的版本和解決方式，在本文我重點(diǎn)是和大家壹齊理清思路，由淺入深的思考問題，保證大家看完了都能有所收獲。

問題背景

簡(jiǎn)單來說，這個(gè)模型是由兩類線程構(gòu)成：

• 生產(chǎn)者線程：“生產(chǎn)”產(chǎn)品，并把產(chǎn)品放到一個(gè)隊(duì)列里；
• 消費(fèi)者線程：“消費(fèi)”產(chǎn)品。
• 隊(duì)列：數(shù)據(jù)緩存區(qū)。
  

有了這個(gè)隊(duì)列，生產(chǎn)者就只需要關(guān)注生產(chǎn)，而不用管消費(fèi)者的消費(fèi)行為，更不用等待消費(fèi)者線程執(zhí)行完；消費(fèi)者也只管消費(fèi)，不用管生產(chǎn)者是怎么生產(chǎn)的，更不用等著生產(chǎn)者生產(chǎn)。

所以該模型實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間的解藕和異步。

什么是異步呢？

比如說你和你女朋友打電話，就得等她接了電話你們才能說話，這是同步。

但是如果你跟她發(fā)微信，并不需要等她回復(fù)，她也不需要立刻回復(fù)，而是等她有空了再回，這就是異步。

但是呢，生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間也不能完全沒有聯(lián)系的。

• 如果隊(duì)列里的產(chǎn)品已經(jīng)滿了，生產(chǎn)者就不能繼續(xù)生產(chǎn)；
• 如果隊(duì)列里的產(chǎn)品從無到有，生產(chǎn)者就得通知一下消費(fèi)者，告訴它可以來消費(fèi)了；
• 如果隊(duì)列里已經(jīng)沒有產(chǎn)品了，消費(fèi)者也無法繼續(xù)消費(fèi)；
• 如果隊(duì)列里的產(chǎn)品從滿到不滿，消費(fèi)者也得去通知下生產(chǎn)者，說你可以來生產(chǎn)了。

所以它們之間還需要有協(xié)作，最經(jīng)典的就是使用 Object 類里自帶的 wait() 和 notify() 或者 notifyAll() 的消息通知機(jī)制。

上述描述中的等著，其實(shí)就是用 wait() 來實(shí)現(xiàn)的；

而通知，就是 notify() 或者 notifyAll() 。

那么基于這種消息通知機(jī)制，我們還能夠平衡生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間的速度差異。

如果生產(chǎn)者的生產(chǎn)速度很慢，但是消費(fèi)者消費(fèi)的很快，就像是我們每月工資就發(fā)兩次，但是每天都要花錢，也就是 1:15.

那么我們就需要調(diào)整生產(chǎn)者（發(fā)工資）為 15 個(gè)線程，消費(fèi)者保持 1 個(gè)線程，這樣是不是很爽～

總結(jié)下該模型的三大優(yōu)點(diǎn)：
解藕，異步，平衡速度差異。

wait()/notify()

接下來我們需要重點(diǎn)看下這個(gè)通知機(jī)制。

wait() 和 notify() 都是 Java 中的 Object 類自帶的方法，可以用來實(shí)現(xiàn)線程間的通信。

在上一節(jié)講的 11 個(gè) APIs 里我也提到了它，我們這里再展開講一下。

wait() 方法是用來讓當(dāng)前線程等待，直到有別的線程調(diào)用 notify() 將它喚醒，或者我們可以設(shè)定一個(gè)時(shí)間讓它自動(dòng)蘇醒。

調(diào)用該方法之前，線程必須要獲得該對(duì)象的對(duì)象監(jiān)視器鎖，也就是只能用在加鎖的方法下。

而調(diào)用該方法之后，當(dāng)前線程會(huì)釋放鎖。（提示：這里很重要，也是下文代碼中用 while 而非 if 的原因。）

notify() 方法只能通知一個(gè)線程，如果多個(gè)線程在等待，那就喚醒任意一個(gè)。

notifyAll() 方法是可以喚醒所有等待線程，然后加入同步隊(duì)列。

這里我們用到了 2 個(gè)隊(duì)列：

• 同步隊(duì)列：對(duì)應(yīng)于我們上一節(jié)講的線程狀態(tài)中的 Runnable，也就是線程準(zhǔn)備就緒，就等著搶資源了。
• 等待隊(duì)列：對(duì)應(yīng)于我們上一節(jié)講的線程狀態(tài)中的 Waiting，也就是等待狀態(tài)。

這里需要注意，從等待狀態(tài)線程無法直接進(jìn)入 Q2，而是要先重新加入同步隊(duì)列，再次等待拿鎖，拿到了鎖才能進(jìn)去 Q2；一旦出了 Q2，鎖就丟了。

在 Q2 里，其實(shí)只有一個(gè)線程，因?yàn)檫@里我們必須要加鎖才能進(jìn)行操作。

實(shí)現(xiàn)

這里我首先建了一個(gè)簡(jiǎn)單的 Product 類，用來表示生產(chǎn)和消費(fèi)的產(chǎn)品，大家可以自行添加更多的 fields。

public?class?Product??{
????private?String?name;

????public?Product(String?name)?{
????????this.name?=?name;
????}

????public?String?getName()?{
????????return?name;
????}

????public?void?setName(String?name)?{
????????this.name?=?name;
????}
}

主函數(shù)里我設(shè)定了兩類線程，并且這里選擇用普通的 ArrayDeque 來實(shí)現(xiàn) Queue，更簡(jiǎn)單的方式是直接用 Java 中的 BlockingQueue 來實(shí)現(xiàn)。

BlockingQueue 是阻塞隊(duì)列，它有一系列的方法可以讓線程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)阻塞，常用的 BlockingQueue 有很多，后面會(huì)單獨(dú)出一篇文章來講。

這里為了更好的理解并發(fā)協(xié)同的這個(gè)過程，我們先自己處理。

public?class?Test?{
????public?static?void?main(String[]?args)?{
????????Queue?queue?=?new?ArrayDeque<>();

????????for?(int?i?=?0;?i?100;?i++)?{
????????????new?Thread(new?Producer(queue,?100)).start();
????????????new?Thread(new?Consumer(queue,?100)).start();
????????}
????}
}

然后就是 Producer 和 Consumer 了。

public?class?Producer?implements?Runnable{
????private?Queue?queue;
????private?int?maxCapacity;

????public?Producer(Queue?queue,?int?maxCapacity)?{
????????this.queue?=?queue;
????????this.maxCapacity?=?maxCapacity;
????}

????@Override
????public?void?run()?{
????????synchronized?(queue)?{
????????????while?(queue.size()?==?maxCapacity)?{?//一定要用?while，而不是?if，下文解釋
????????????????try?{
????????????????????System.out.println("生產(chǎn)者"?+?Thread.currentThread().getName()?+?"等待中...?Queue?已達(dá)到最大容量，無法生產(chǎn)");
????????????????????wait();
????????????????????System.out.println("生產(chǎn)者"?+?Thread.currentThread().getName()?+?"退出等待");
????????????????}?catch?(InterruptedException?e)?{
????????????????????e.printStackTrace();
????????????????}
????????????}
????????????if?(queue.size()?==?0)?{?//隊(duì)列里的產(chǎn)品從無到有，需要通知在等待的消費(fèi)者
????????????????queue.notifyAll();
????????????}
????????????Random?random?=?new?Random();
????????????Integer?i?=?random.nextInt();
????????????queue.offer(new?Product("產(chǎn)品"??+?i.toString()));
????????????System.out.println("生產(chǎn)者"?+?Thread.currentThread().getName()?+?"生產(chǎn)了產(chǎn)品："?+?i.toString());
????????}
????}
}

其實(shí)它的主邏輯很簡(jiǎn)單，我這里為了方便演示加了很多打印語句才顯得有點(diǎn)復(fù)雜。

我們把主要邏輯拎出來看：

?public?void?run()?{
????????synchronized?(queue)?{
????????????while?(queue.size()?==?maxCapacity)?{?//一定要用?while，而不是?if，下文解釋
????????????????try?{
????????????????????wait();
????????????????}?catch?(InterruptedException?e)?{
????????????????????e.printStackTrace();
????????????????}
????????????}
????????????if?(queue.size()?==?0)?{
????????????????queue.notifyAll();
????????????}
????????????queue.offer(new?Product("產(chǎn)品"??+?i.toString()));
????????}
????}
}

這里有 3 塊內(nèi)容，再對(duì)照這個(gè)過程來看：

1. 生產(chǎn)者線程拿到鎖后，其實(shí)就是進(jìn)入了 Q2 階段。首先檢查隊(duì)列是否容量已滿，如果滿了，那就要去 Q3 等待；
2. 如果不滿，先檢查一下隊(duì)列原本是否為空，如果原來是空的，那就需要通知消費(fèi)者；
3. 最后生產(chǎn)產(chǎn)品。

這里有個(gè)問題，為什么只能用 while 而不是 if？

其實(shí)在這一小段，生產(chǎn)者線程經(jīng)歷了幾個(gè)過程：

1. 如果隊(duì)列已滿，它就沒法生產(chǎn)，那也不能占著位置不做事，所以要把鎖讓出來，去 Q3 - 等待隊(duì)列 等著；
2. 在等待隊(duì)列里被喚醒之后，不能直接奪過鎖來，而是要先加入 Q1 - 同步隊(duì)列 等待資源；
3. 一旦搶到資源，關(guān)門上鎖，才能來到 Q2 繼續(xù)執(zhí)行 wait() 之后的活，但是，此時(shí)這個(gè)隊(duì)列有可能又滿了，所以退出 wait() 之后，還需要再次檢查 queue.size() == maxCapacity 這個(gè)條件，所以要用 while。

那么為什么可能又滿了呢？

因?yàn)榫€程沒有一直拿著鎖，在被喚醒之后，到拿到鎖之間的這段時(shí)間里，有可能其他的生產(chǎn)者線程先拿到了鎖進(jìn)行了生產(chǎn)，所以隊(duì)列又經(jīng)歷了一個(gè)從不滿到滿的過程。

總結(jié)：在使用線程的等待通知機(jī)制時(shí)，一般都要在 while 循環(huán)中調(diào)用 wait() 方法。

消費(fèi)者線程是完全對(duì)稱的，我們來看代碼。

public?class?Consumer?implements?Runnable{
????private?Queue?queue;
????private?int?maxCapacity;

????public?Consumer(Queue?queue,?int?maxCapacity)?{
????????this.queue?=?queue;
????????this.maxCapacity?=?maxCapacity;
????}

????@Override
????public?void?run()?{
????????synchronized?(queue)?{
????????????while?(queue.isEmpty())?{
????????????????try?{
????????????????????System.out.println("消費(fèi)者"?+?Thread.currentThread().getName()?+?"等待中...?Queue?已缺貨，無法消費(fèi)");
????????????????????wait();
????????????????????System.out.println("消費(fèi)者"?+?Thread.currentThread().getName()?+?"退出等待");
????????????????}?catch?(InterruptedException?e)?{
????????????????????e.printStackTrace();
????????????????}
????????????}
????????????if?(queue.size()?==?maxCapacity)?{
????????????????queue.notifyAll();
????????????}

????????????Product?product?=?queue.poll();
????????????System.out.println("消費(fèi)者"?+?Thread.currentThread().getName()?+?"消費(fèi)了："?+?product.getName());
????????}
????}
}

結(jié)果如下：

小結(jié)

生產(chǎn)者 - 消費(fèi)者問題是面試中經(jīng)常會(huì)遇到的題目，本文首先講了該模型的三大優(yōu)點(diǎn)：解藕，異步，平衡速度差異，然后講解了等待/通知的消息機(jī)制以及在該模型中的應(yīng)用，最后進(jìn)行了代碼實(shí)現(xiàn)。