面试官：小伙子，你给我简单说一下生产者与消费者模型吧

前言

生产者-消费者模式是一个经典的多线程设计模式。
在生产者-消费者模式中，通常有两类线程，即若干个生产者和消费者线程。

  • 生产者线程负责提交用户请求
  • 消费者线程负责处理生产者提交的任务。
  • 内存缓冲区 缓存生产者提交的任务或数据，供消费者使用。

开发需要解决的问题：

  1. 生产者线程与消费者线程对内存缓冲区的操作的线程安全问题。
  2. 虚假唤醒。

测试：

/**
 * 生产者与消费者案例。
 * @author 
 */
public class TestProductorAndConsumer {

    public static void main(String[] args) {
        //创建职员
        Clerk clerk = new Clerk();

        //创建生产者与消费者线程
        Productor productor = new Productor(clerk);
        Consumer consumer = new Consumer(clerk);

        new Thread(productor, "生产者1").start();
        new Thread(consumer, "消费者1").start();
        new Thread(productor, "生产者2").start();
        new Thread(consumer, "消费者2").start();
    }
}

// Clerk职员
class Clerk {
    private int product = 0;    //产品数量
    private int capacity = 4;   // 容量
    // 进货

    public synchronized void get() {

        if (product >= capacity) {
            System.out.println("产品已满！");

            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        } else {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + ++product);
            this.notifyAll();
        }
    }

    // 卖货
    public synchronized void sale() {
        if (product <= 0) {
            System.out.println("缺货！");

            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        } else {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + --product);
            this.notifyAll();
        }
    }
}

// 生产者
class Productor implements Runnable {
    private Clerk clerk;

    public Productor(Clerk clerk) {
        this.clerk = clerk;
    }

    @Override
    public void run() {

        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            try {
                Thread.sleep(200);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            clerk.get();
        }
    }
}

// 消费者
class Consumer implements Runnable {
    private Clerk clerk;

    public Consumer(Clerk clerk) {
        this.clerk = clerk;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            clerk.sale();
        }
    }
}

这就是一个简单的生产者与消费者模型。
我们在Clerk类中给get()方法和sale()方法加了synchronized修饰符，来保证线程同步。

但是运行后发现程序并没有运行结束，分析发现，我们的生产者线程最后没有被唤醒，导致程序没有结束。

对程序做一下修改：

/**
 * 对Clerk类的get()与sale()方法做一点修改
 */
public synchronized void get() {
        if (product >= capacity) {
            System.out.println("产品已满！");

            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + ++product);
        this.notifyAll();

    }

    // 卖货
    public synchronized void sale() {
        if (product <= 0) {
            System.out.println("缺货！");
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + --product);
        this.notifyAll();
    }

把notifyAll() 方法提到了else外面，保证每个线程结束都能调用notifyAll()方法，运行一下，发现程序确实能结束，但是程序 product 变成了负数。这是由于调用notifyAll()唤醒了消费者模型，执行–product导致。

我们来看一下wait()这个方法：


这就是我们要解决的虚假唤醒问题！！！。
文档提醒我们使用循环。再对程序做一点修改

    // 进货
    public synchronized void get() {

        // 使用while防止虚假唤醒
        while(product >= capacity) {
            System.out.println("产品已满！");

            try {
                // 在一个参数版本中，中断和虚假的唤醒是可能的，这个方法应该总是在循环中使用:
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        // 除非product<capacity,否则不执行++product操作
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + ++product);
        this.notifyAll();

    }

    // 卖货
    public synchronized void sale() {
        while (product <= 0) {
            System.out.println("缺货！");

            try {
                // 在一个参数版本中，中断和虚假的唤醒是可能的，这个方法应该总是在循环中使用:
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        // 除非product>capacity,否则不执行--product操作
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + --product);
        this.notifyAll();
    }

将 if 改为 while 循环后，
生产者线程被唤醒后进行判断：如果product >= capacity，则继续调用wait()等待，直到再次被唤醒。如果product < capacity, 则执行++product。
同理消费者线程被唤醒后也会进行判断，不满足条件会继续等待，直到再次被唤醒。满足条件后处理任务。

至此，我们的生产者-消费者模型就圆满完成了。

我们再对程序做一点修改，不使用synchronized来修饰方法，而是采用可重入锁ReentrantLock来手动加锁与释放锁。此时我们也就不能再使用wait()和notifyAll()方法了,因为这两个方法synchronized关键字合作使用。
此处我们需要使用Condition条件。

直接看代码:

// 进货
    public void get() {
        lock.lock();
        try {
            // 使用while防止虚假唤醒
            while(product >= capacity) {
                System.out.println("产品已满！");
                try {
                    // 在一个参数版本中，中断和虚假的唤醒是可能的，这个方法应该总是在循环中使用:
                    condition.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            // 除非product<capacity,否则不执行++product操作
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + ++product);
            condition.signalAll();
        }finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    // 卖货
    public void sale() {
        lock.lock();
        try {
            while (product <= 0) {
                System.out.println("缺货！");

                try {
                    // 在一个参数版本中，中断和虚假的唤醒是可能的，这个方法应该总是在循环中使用:
                    condition.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            // 除非product>capacity,否则不执行--product操作
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " : " + --product);

            condition.signalAll();
        }finally {
            lock.unlock();
        }

    }

我们定义了一个可重入锁 ReentrantLock lock, 通过lock.lock()来加锁，通过lock.unlock()来释放锁，让加锁范围更加灵活。

这里提一下Condition接口提供的方法：

  • await()：方法会使当前线程等待，同时释放当前锁。当其他线程使用signal()或signalAll()方法时，线程会重新获得锁并继续执行。当线程被中断时，也能跳出等待。
  • await(long time,TimeUnit unit)：方法会使线程等待，直到其他方法调用aignal()或者signalAll() 或者被中断，或者等待超过设置的时间
  • awaitUninterruptibly()：方法与await()基本相同，但它并不会在等待的时候响应中断。
  • signal()：唤醒一个等待的线程。如果有线程正在等待此条件，则选择一个线程进行唤醒。然后，该线程必须在从await返回之前重新获取锁。
  • signalAll():唤醒所有等待的线程。如果有线程在这种情况下等待，那么它们将被唤醒。每个线程必须重新获取锁，然后才能从await返回。

最后

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