java生產者與消費者模式
前言： 生產者和消費者模式是我們在學習多線程中很經典的一個模式，它主要分為生產者和消費者，分別是兩個線程，
目錄
一：生產者和消費者模式簡介
二：生產者和消費者模式的實現
聲明：本例來源於java經典著作：《Think in java》，接下來將會采用本例子將會借鑒其中的案例進行分析
首先我們來設想有一個這樣的場景：一個飯店裏有一個做飯的廚師和來吃飯的人，服務員負責端食物，這裏就可以把廚師當做生產者，（這裏暫且把服務員當做消費者），而食物則有這樣的過程，被廚師生產出來，然後被服務員消費。當食物存在的時候，廚師等待，不再進行生產，服務員進行消費。當食物為空的時候，廚師開始生產食物，服務員等待。這中間就存在著一個線程之間協作的過程。我們來通過代碼進行模擬：
首先是新建兩個線程，一個廚師線程，一個服務員線程，雙方進行協作：
以下是廚師線程：
public class Chef implements Runnable{ //product private Restaurant restaurant; private int count=0; public Chef(Restaurant restaurant) { this.restaurant = restaurant; } @Override public void run() { try {while (!Thread.interrupted()) { synchronized (this) { while (restaurant.meal != null) { wait(); } if (++count==10){ System.out.println("out of food,closing"); restaurant.exec.shutdownNow(); } System.out.println("Chef product meal"+count); synchronized (restaurant.waitPerson){ restaurant.meal= new Meal(count); restaurant.waitPerson.notifyAll(); } TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(100); } } }catch (InterruptedException e){ System.out.println("Chef interruped"); } } }
以下是服務員線程：
public class WaitPerson implements Runnable{ private Restaurant restaurant; public WaitPerson(Restaurant restaurant) { this.restaurant = restaurant; } @Override public void run() { try{ while (!Thread.interrupted()) { synchronized (this) { while (restaurant.meal == null) { wait(); } System.out.println("waitPerson got:"+restaurant.meal); } synchronized (restaurant.chef){ restaurant.meal=null; restaurant.chef.notifyAll(); } } } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); System.out.println("waitPerson interrupdate"); } } }
我們來分析一下廚師線程，主要看它的run方法，裏面包含著一個try、catch塊，首先它會一直捕獲線程的狀態，當它不處於interrupted(線程中斷，此時無法運轉)異常時，往下走。然後取得當前對象的鎖，把它上鎖，通過一個while循環，取得餐館裏面的meal，判斷其是否為null.當餐館裏面的餐還有剩余的時候，此時生產者不需要工作，它處於wait狀態，註意wait和Thread.sleep的區別，sleep方法運行的時候線程是不會丟棄鎖的，而wait方法會釋放鎖，所以此時，被鎖住的對象運行到wait方法，它已經釋放了鎖，因此消費者可以獲取到鎖。
再接著count會進行累加1。再接著鎖住服務員線程，此時服務員線程獲取鎖的主動權，它通過notifyAll方法喚醒所有的在鎖上等待線程，註意此處為什麽是notifyAll而不是notify，這主要是因為此刻廚師線程並不知道等待的線程究竟是幾條，為了線程安全起見，喚醒所有的等待線程。註意的是：notifyAll會喚醒所有線程，但是運行的只是其中一個，關於這個線程的篩選，是完全隨機的。
喚醒了消費者線程，它就會運行到消費者線程，然後我們來看一下它的run方法，和之前的廚師線程差不多，依然是鎖住當前的消費者線程，不過線程此時的條件變成了meal為null。接著再獲取廚師的鎖，使其meal為null，再喚醒廚師線程，接著程序就會運轉到廚師線程，執行廚師的run方法
程序執行的結果：
Chef product meal1
waitPerson got:Meal1
Chef product meal2
waitPerson got:Meal2
Chef product meal3
waitPerson got:Meal3
Chef product meal4
waitPerson got:Meal4
Chef product meal5
waitPerson got:Meal5
Chef product meal6
waitPerson got:Meal6
Chef product meal7
waitPerson got:Meal7
Chef product meal8
waitPerson got:Meal8
Chef product meal9
waitPerson got:Meal9
out of food,closing
Chef product meal10
Chef interruped
waitPerson interrupdate
可以看到結果，線程有條不紊的運行，生產者每生產一個meal,發出order up信號，然後消費者消費這個meal，再輪到生產者，再到消費者，這就是生產者和消費者的模式的意義，它們之間同步工作，不會出現消費者線程沒有meal的時候仍然去消費，生產者在有meal的時候依然去生產，這樣就會產生線程安全的問題。
三：關於線程之間的通信
3.1：wait和notfiy方法
查詢jdk可以看出，wait和notify方法都是object的方法，也就是說java所有的對象都可以繼承這個方法。每個對象運行的時候都可以關聯一個線程，調用wait方法就可以使當前線程處於等待狀態，等待的時候它的它會釋放掉鎖，此時其它對象可以獲取線程鎖。而wait方法和notify是進行相互溝通的，只有notify/notifyAll方法才能喚醒被wait方法等待的線程，notify會喚醒這個線程。
註意看它的解釋：喚醒在此對象監視器上等待的單個/所有線程，那麽問題來了。監視器又是什麽？
3.2：java監視器
3.2.1:對監視器的解釋
監視器：monitor
鎖：lock(JVM裏只有一種獨占方式的lock)
進入監視器：entermonitor
離開/釋放監視器：leavemonitor
(entermonitor和leavemonitor是JVM的指令)
擁有者：owner
在JVM裏，monitor就是實現lock的方式
entermonitor就是獲得某個對象的lock(owner是當前線程)
leavemonitor就是釋放某個對象的lock
3.2.2：通俗的解釋
上面的這段話比較精簡，其實理解起來很簡單。有這樣一句話：程序即生活，我們把它代入到生活實際中試衣間來思考一下，其實不難理解這段話。我們去一個商城購買衣服，選擇好了，我們去試衣間，此刻好比對象entermonitor ，執行進入監視器這個指令，我們離開試衣間，就好比執行leavemonitor指令，這個monitor是一個狹小的空間，當一個對象進入的時候，其它對象就不能進入了。這其中的原理實現了隊列等待和競爭的，線程進入會先排隊，如果有線程進入監視器，當前線程就會等待，如果沒有就直接進入，新來的線程會和已經等待的線程進行競爭，但是最後只有一個能進入，進入監視器的線程可以訪問它的所有數據，包括類變量和實例變量。這也就實現了鎖的原理。
3.3：線程協作解決的問題
3.3.1:線程數據訪問的紊亂
假如沒有協作的話，數據之間的訪問一定會出現紊亂，比如生產者會可能在有很多meal的時候仍然會生產meal，消費者會在沒有meal的時候依然進行消費，這都是我們在多線程的程序中不願看到的，因為它會有很多不預期的事情發生
3.3.2：數據會錯位
數據之間會錯位，這體現在生產者會消費meal,而消費者會生產meal。此刻他們不能各自履行各自的職責，這也是我們極度不願意看到的，而不采用保障措施就會有這樣問題的出現。
可以看到
四：總結
本篇博客主要引用《Thinking in java》中的一段進行講解，講了線程之間的通信與協作的問題，如何合理運用wait和notify方法進行線程之間的通信，實現一個系統有條不紊的運行。這其中的最關鍵點在於理解鎖的釋放與獲取的過程，以及線程的切換，生產者和消費者的相互溝通，協同工作的原理。
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