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Java多线程中的生产者消费者模式

2023-06-26 11:10:41 深夜i -- --

Java 多线程生产者消费者模式

Java多线程中的生产者消费者模式是一种常用的线程管理模式，它用来解决生产者和消费者之间的通信和同步问题。在这种模式中，生产者和消费者分别运行在不同的线程中，生产者线程负责产生数据并将其放入共享的缓冲区，而消费者线程则负责从缓冲区中取出这些数据进行消费。由于生产者和消费者运行在不同的线程中，因此必须采取措施来保证它们之间的同步和互斥访问，避免出现协作失效的情况。

在Java中，实现生产者消费者模式的方法有多种，其中比较常用的是使用synchronized关键字来实现同步和互斥访问。具体来说，可以创建一个共享的缓冲区，并定义一个标志变量来表示缓冲区是否为空或已满。当生产者要向缓冲区中放入数据时，需要先对缓冲区进行加锁（使用synchronized关键字），然后检查标志变量的值，如果缓冲区已满，则需要等待，否则就可以将数据放入缓冲区，并修改标志变量的值。当消费者要从缓冲区中取出数据时，也需要先对缓冲区进行加锁，然后检查标志变量的值，如果缓冲区为空，则需要等待，否则就可以将数据取出，并修改标志变量的值。

下面是一个简单的Java多线程程序，用来演示生产者消费者模式的实现方法：


public class ProducerConsumerTest {
  public static void main(String[] args) {
    Buffer buffer = new Buffer(10); // 创建共享的缓冲区，容量为10
    Producer producer = new Producer(buffer); // 创建生产者对象
    Consumer consumer = new Consumer(buffer); // 创建消费者对象
    Thread t1 = new Thread(producer, "Producer1"); // 创建生产者线程1
    Thread t2 = new Thread(producer, "Producer2"); // 创建生产者线程2
    Thread t3 = new Thread(consumer, "Consumer1"); // 创建消费者线程1
    Thread t4 = new Thread(consumer, "Consumer2"); // 创建消费者线程2
    t1.start(); // 启动生产者线程1
    t2.start(); // 启动生产者线程2
    t3.start(); // 启动消费者线程1
    t4.start(); // 启动消费者线程2
  }
}
class Buffer {
  private int[] buffer; // 缓冲区
  private int maxSize; // 缓冲区容量
  private int front; // 缓冲区前指针
  private int rear; // 缓冲区后指针
  private int count; // 缓冲区中元素个数
  public Buffer(int maxSize) {
    this.maxSize = maxSize;
    buffer = new int[maxSize];
    front = 0;
    rear = -1;
    count = 0;
  }
  public synchronized void put(int data) throws InterruptedException {
    while (count == maxSize) { // 缓冲区已满，等待
      wait();
    }
    rear = (rear + 1) % maxSize; // 后指针移动
    buffer[rear] = data; // 放入数据
    count++; // 元素个数加1
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " put " + data);
    notifyAll(); // 通知等待的线程
  }
  public synchronized int get() throws InterruptedException {
    while (count == 0) { // 缓冲区为空，等待
      wait();
    }
    int data = buffer[front]; // 取出数据
    front = (front + 1) % maxSize; // 前指针移动
    count--; // 元素个数减1
    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " get " + data);
    notifyAll(); // 通知等待的线程
    return data;
  }
}
class Producer implements Runnable {
  private Buffer buffer;
  public Producer(Buffer buffer)
    this.buffer = buffer;
  
  @Override
  public void run() {
    for (int i = 1; i <= 10; i++) {
      try {
        buffer.put(i); // 放入数据
        Thread.sleep((int) (Math.random() * 100));
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
  }
}
class Consumer implements Runnable {
  private Buffer buffer;
  public Consumer(Buffer buffer)
    this.buffer = buffer;
  
  @Override
  public void run() {
    for (int i = 1; i <= 10; i++) {
      try {
        int data = buffer.get(); // 取出数据
        Thread.sleep((int) (Math.random() * 100));
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
  }
}

在上面的程序中，Buffer类表示共享的缓冲区，Producer类表示生产者，Consumer类表示消费者。在main()方法中创建了2个生产者线程和2个消费者线程，并启动它们。每个生产者线程会向缓冲区中放入10个随机生成的整数，每个消费者线程会从缓冲区中取出10个整数并打印出来。

通过输出可以发现，生产者和消费者之间的通信和同步是正确的，缓冲区中始终保持正确的状态。这是因为，在put()和get()方法中采用了synchronized关键字来实现了同步和互斥访问。此外，使用wait()和notifyAll()方法来实现等待和通知的机制，避免了CPU的空转浪费。

总之，Java多线程中的生产者消费者模式是一个重要的线程管理模式，它可以帮助我们解决线程间的同步和通信问题，提高系统的效率和稳定性。在实际应用中，我们需要根据具体的需求来选择不同的实现方法，可以使用synchronized关键字、Lock和Condition等多种方式来实现。

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