多線程必考的「生產(chǎn)者 - 消費者」模型，看這篇文章就夠了
生產(chǎn)者 - 消費者模型 Producer-consumer problem 是一個非常經(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問題，對應屆生問的要少一些，但是對于有工作經(jīng)驗的工程師來說，非常愛考。
這個問題有非常多的版本和解決方式，在本文我重點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
簡單來說，這個模型是由兩類線程構成：
生產(chǎn)者線程：“生產(chǎn)”產(chǎn)品，并把產(chǎn)品放到一個隊列里； 消費者線程：“消費”產(chǎn)品。 隊列：數(shù)據(jù)緩存區(qū)。
有了這個隊列，生產(chǎn)者就只需要關注生產(chǎn)，而不用管消費者的消費行為，更不用等待消費者線程執(zhí)行完；消費者也只管消費，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)。
所以該模型實現(xiàn)了生產(chǎn)者和消費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，她也不需要立刻回復，而是等她有空了再回，這就是異步。
但是呢，生產(chǎn)者和消費者之間也不能完全沒有聯(lián)系的。
如果隊列里的產(chǎn)品已經(jīng)滿了，生產(chǎn)者就不能繼續(xù)生產(chǎn)； 如果隊列里的產(chǎn)品從無到有，生產(chǎn)者就得通知一下消費者，告訴它可以來消費了； 如果隊列里已經(jīng)沒有產(chǎn)品了，消費者也無法繼續(xù)消費； 如果隊列里的產(chǎn)品從滿到不滿，消費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() 的消息通知機制。
上述描述中的等著，其實就是用 wait() 來實現(xiàn)的；
而通知，就是 notify() 或者 notifyAll() 。
那么基于這種消息通知機制，我們還能夠平衡生產(chǎn)者和消費者之間的速度差異。
如果生產(chǎn)者的生產(chǎn)速度很慢，但是消費者消費的很快，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 個線程，消費者保持 1 個線程，這樣是不是很爽～
總結下該模型的三大優(yōu)點：
解藕，異步，平衡速度差異。
wait()/notify()
接下來我們需要重點看下這個通知機制。
wait() 和 notify() 都是 Java 中的 Object 類自帶的方法，可以用來實現(xiàn)線程間的通信。
在上一節(jié)講的 11 個 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，或者我們可以設定一個時間讓它自動蘇醒。
調(diào)用該方法之前，線程必須要獲得該對象的對象監(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，當前線程會釋放鎖。（提示：這里很重要，也是下文代碼中用 while 而非 if 的原因。）
notify() 方法只能通知一個線程，如果多個線程在等待，那就喚醒任意一個。
notifyAll() 方法是可以喚醒所有等待線程，然后加入同步隊列。
這里我們用到了 2 個隊列：
同步隊列：對應于我們上一節(jié)講的線程狀態(tài)中的 Runnable，也就是線程準備就緒，就等著搶資源了。等待隊列：對應于我們上一節(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)線程無法直接進入 Q2，而是要先重新加入同步隊列，再次等待拿鎖，拿到了鎖才能進去 Q2；一旦出了 Q2，鎖就丟了。
在 Q2 里，其實只有一個線程，因為這里我們必須要加鎖才能進行操作。
實現(xiàn)
這里我首先建了一個簡單的 Product 類，用來表示生產(chǎn)和消費的產(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)里我設定了兩類線程，并且這里選擇用普通的 ArrayDeque 來實現(xiàn) Queue，更簡單的方式是直接用 Java 中的 BlockingQueue 來實現(xiàn)。
BlockingQueue 是阻塞隊列，它有一系列的方法可以讓線程實現(xiàn)自動阻塞，常用的 BlockingQueue 有很多，后面會單獨出一篇文章來講。
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)?{?//隊列里的產(chǎn)品從無到有，需要通知在等待的消費者
????????????????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());
????????}
????}
}
其實它的主邏輯很簡單，我這里為了方便演示加了很多打印語句才顯得有點復雜。
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，再對照這個過程來看：
生產(chǎn)者線程拿到鎖后，其實就是進入了 Q2階段。首先檢查隊列是否容量已滿，如果滿了，那就要去Q3等待；如果不滿，先檢查一下隊列原本是否為空，如果原來是空的，那就需要通知消費者； 最后生產(chǎn)產(chǎn)品。
這里有個問題，為什么只能用 while 而不是 if？
其實在這一小段，生產(chǎn)者線程經(jīng)歷了幾個過程：
如果隊列已滿，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 - 等待隊列等著；在等待隊列里被喚醒之后，不能直接奪過鎖來，而是要先加入 Q1 - 同步隊列等待資源；一旦搶到資源，關門上鎖，才能來到 Q2繼續(xù)執(zhí)行wait()之后的活，但是，此時這個隊列有可能又滿了，所以退出wait()之后，還需要再次檢查queue.size() == maxCapacity這個條件，所以要用while。
那么為什么可能又滿了呢？
因為線程沒有一直拿著鎖，在被喚醒之后，到拿到鎖之間的這段時間里，有可能其他的生產(chǎn)者線程先拿到了鎖進行了生產(chǎn)，所以隊列又經(jīng)歷了一個從不滿到滿的過程。
總結：在使用線程的等待通知機制時，一般都要在 while 循環(huán)中調(diào)用 wait() 方法。
消費者線程是完全對稱的，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("消費者"?+?Thread.currentThread().getName()?+?"等待中...?Queue?已缺貨，無法消費");
????????????????????wait();
????????????????????System.out.println("消費者"?+?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("消費者"?+?Thread.currentThread().getName()?+?"消費了："?+?product.getName());
????????}
????}
}
結果如下：
小結
生產(chǎn)者 - 消費者問題是面試中經(jīng)常會遇到的題目，本文首先講了該模型的三大優(yōu)點：解藕，異步，平衡速度差異，然后講解了等待/通知的消息機制以及在該模型中的應用，最后進行了代碼實現(xiàn)。
完
? ? ? ?
???覺得不錯，點個在看~
