完全理解Java中生產(chǎn)者和消費(fèi)者模型.docx

生產(chǎn)者與消費(fèi)者模型 在平時(shí)的編程中，經(jīng)常遇到一個(gè)線程要產(chǎn)生數(shù)據(jù)，而另一個(gè)線程要處理產(chǎn)生出來的數(shù)據(jù)，這其實(shí)就是生產(chǎn)者和消費(fèi)者的關(guān)系。生產(chǎn)者在產(chǎn)生數(shù)據(jù)后可以直接調(diào)用消費(fèi)者處理數(shù)據(jù)；也可以把數(shù)據(jù)放在一個(gè)緩沖區(qū)中，讓消費(fèi)者從緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù)處理，兩種方式從調(diào)用方式上來說，第一種可是說是同步的，即生產(chǎn)者在生產(chǎn)出數(shù)據(jù)后要等待消費(fèi)者消耗掉后才能生產(chǎn)下一個(gè)數(shù)據(jù)，等待時(shí)間的長短取決于消費(fèi)者處理數(shù)據(jù)的能力；第二種方式是異步的，生產(chǎn)者只管生產(chǎn)數(shù)據(jù)，然后扔到一個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)，不管數(shù)據(jù)是否被立即處理了，消費(fèi)者則從緩沖區(qū)中依次取出數(shù)據(jù)進(jìn)行自己節(jié)奏的處理。從線程模型角度來說，第一種是單線程的，而第二種則是多線程的。多線程必須要考慮的一個(gè)問題是線程之間的協(xié)作，協(xié)作即協(xié)調(diào)合作，不要亂套，以生產(chǎn)者和消費(fèi)者模型而言，就是當(dāng)緩沖區(qū)里沒有數(shù)據(jù)時(shí)消費(fèi)者要等待，等待生產(chǎn)者生產(chǎn)數(shù)據(jù)，當(dāng)緩沖區(qū)滿的時(shí)候生產(chǎn)者要等待，等待消費(fèi)者消耗掉一些數(shù)據(jù)空出位置好存放數(shù)據(jù)。 java中為了實(shí)現(xiàn)多線程之間的協(xié)助，需要用到幾個(gè)特性：wait（），notify（），notifyAll（），synchronized，synchronized相當(dāng)于操作系統(tǒng)里的臨界區(qū)或者鎖的概念，所謂臨界區(qū)就是說一次只能有一個(gè)線程進(jìn)去，其他想進(jìn)入的線程必須等待，加了synchronized鎖后，才能調(diào)用wait（），notify（）和notifyAll（）操作，wait方法被調(diào)用后，當(dāng)前線程A（舉例）進(jìn)入被加鎖對象的線程休息室，然后釋放鎖，等待被喚醒。釋放的鎖誰來獲??？當(dāng)然是由先前等待的另一個(gè)線程B得到，B在獲得鎖后，進(jìn)行某種操作后通過notify或者notifyAll把A從線程休息室喚醒，然后釋放鎖，A被喚醒后，重新獲取鎖定，進(jìn)行下一語句的執(zhí)行。 再回到生產(chǎn)者和消費(fèi)者模型，如果引入了緩沖區(qū)的話就需要處理生產(chǎn)者線程和消費(fèi)者線程之間的協(xié)作，緩沖區(qū)可以有這幾種，隊(duì)列緩沖區(qū)，比如隊(duì)列或者棧，隊(duì)列緩沖區(qū)的特點(diǎn)是其長度是動(dòng)態(tài)增長的，這就意味著內(nèi)存的動(dòng)態(tài)分配帶來的性能開銷，同時(shí)隊(duì)列緩沖區(qū)還會(huì)產(chǎn)生因?yàn)槎嗑€程之間的同步和互斥帶來的開銷。環(huán)形緩沖區(qū)可以解決內(nèi)存分配帶來開銷的問題，因?yàn)榄h(huán)形緩沖區(qū)長度是固定的。但是環(huán)形緩沖區(qū)還是無法解決同步互斥帶來的多線程切換的開銷，如果生產(chǎn)者和消費(fèi)者都不止一個(gè)線程，帶來的開銷更大，終極解決辦法是引入雙緩沖區(qū)，何為雙緩沖區(qū)？雙緩沖區(qū)顧名思義是有兩個(gè)長度固定的緩沖區(qū)A B，生產(chǎn)者和消費(fèi)者只使用其中一個(gè)，當(dāng)兩個(gè)緩沖區(qū)都操作完成后完成一次切換，開始時(shí)生產(chǎn)者開始向A里寫數(shù)據(jù)，消費(fèi)者從B里讀取數(shù)據(jù)，當(dāng)A寫滿同時(shí)B也讀完后，切換一下，這時(shí)消費(fèi)者從A里取數(shù)據(jù)，生產(chǎn)者向B寫數(shù)據(jù)，由于生產(chǎn)者和消費(fèi)者不會(huì)同時(shí)操作同一個(gè)緩沖區(qū)，所以不會(huì)發(fā)生沖突。 生產(chǎn)者和消費(fèi)者模型不止是用在多線程之間，不同進(jìn)程之間也可以有。線程和進(jìn)程到底有什么區(qū)別？這是很多程序員搞不清的問題，其實(shí)很簡單，進(jìn)程有自己的地址空間和上下文，線程是在一個(gè)進(jìn)程上并發(fā)執(zhí)行的代碼段。其實(shí)在win32系統(tǒng)中進(jìn)程只是占用一定長度的地址空間，進(jìn)程中總是有一個(gè)主線程來運(yùn)行。消費(fèi)者和生產(chǎn)者模型應(yīng)用于進(jìn)程間通信的典型例子是分布式消息處理，消息的消費(fèi)者進(jìn)程需要一個(gè)緩沖區(qū)緩沖收到的消息，消息的生產(chǎn)者進(jìn)程也需要一個(gè)緩沖區(qū)緩沖將要發(fā)送的消息，這樣可以一定程度上減少因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)斷開引起的消息丟失。對于此模型，應(yīng)該明確一下幾點(diǎn)：1， 生產(chǎn)者僅僅在倉儲(chǔ)未滿時(shí)生產(chǎn)，倉滿則停止生產(chǎn)。2， 消費(fèi) 者僅僅在倉儲(chǔ)有產(chǎn)品時(shí)才能消費(fèi)，倉空則等待。3， 當(dāng)消費(fèi)者發(fā)現(xiàn)倉儲(chǔ)沒有產(chǎn)品的時(shí)候會(huì)通知生產(chǎn)者生產(chǎn)。4， 生產(chǎn)者在生產(chǎn)出可消費(fèi)產(chǎn)品的時(shí)候，應(yīng)該通知等待的消費(fèi)者去消費(fèi)。以下是它的具體實(shí)現(xiàn): 1, public class ProducerConsumer 2, public static void main(String args) 3, SyncStack ss=new SyncStack();4, Producer p=new Producer(ss);5， Consumer c=new Consumer(ss);6， new Thread(p).start();7， new Thread(c).start();8， 9， 10，11， class WoTou 12， int id;13， WoTou(int id) 14， this.id=id;15， 16， public String toString() 17， return WoTou : +id;18， 19， 20，21， class SyncStack 22， int index=0;23， WoTou arrWT=new WoTou6;24， 25， public synchronized void push(WoTou wt) 26， while(index=arrWT.length) 27， try28， this.wait();29， catch(InterruptedException e) 30， e.printStackTrace();31， 32， 33， this.notify();34， arrWTindex=wt;35， index+;36， 37， 38， public synchronized WoTou pop() 39， while(index=0) 40， try41， this.wait();42， catch(InterruptedException e) 43， e.printStackTrace();44， 45， 46， this.notify();47， index-;48， return arrWTindex;49， 50， 51，52， class Producer implements Runnable 53， SyncStack ss=null;54， Producer(SyncStack ss) 55， this.ss=ss;56， 57， 58， public void run() 59， for(int i=0;i20;i+) 60， WoTou wt=new WoTou(i);61， ss.push(wt);62， System.out.println(生產(chǎn)了:+wt);63， try64， Thread.sleep(int)(Math.random()*2);65， catch(InterruptedException e) 66， e.printStackTrace();67， 68， 69， 70， 71，72， class Consumer implements Runnable 73， SyncStack ss=null;74， Consumer(SyncStack ss) 75， this.ss=ss;76， 77， 78， public void run() 79， for(int i=0;i20;i+) 80， WoTou wt=ss.pop();81， System.out.println(消費(fèi)了:+wt);82， try83， Thread.sleep(int)(Math.random()*1000);84， catch(InterruptedException e) 85， e.printStackTrace();86， 87， 88， 89， 附:1程序、進(jìn)程和線程程序，就是一段靜態(tài)的可執(zhí)行的代碼。進(jìn)程，就是程序的一次動(dòng)態(tài)的執(zhí)行過程。線程，是程序 從頭到尾的執(zhí)行路線，也稱為輕量級(jí)的進(jìn)程。一個(gè)進(jìn)程在執(zhí)行過程中，可以產(chǎn)生多個(gè)線程，形成多個(gè)執(zhí)行路線。但線程間是彼此相互獨(dú)立的。各個(gè)線程可以共享相同的內(nèi)存空間，并利用共享內(nèi)存來完成數(shù)據(jù)交換、實(shí)時(shí)通信和一些同步的工作。而進(jìn)程都占有不同的內(nèi)存空間。單線程是指一個(gè) 程序只有一條從開始到結(jié)束的順序的執(zhí)行路線。多線程是多個(gè)彼此獨(dú)立的線程，多條執(zhí)行路線。2.wait()、