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Java之多线程的生产者消费者问题的详细解析

news 来源：原创 2025/4/21 6:13:43

3.生产者消费者

3.1生产者和消费者模式概述【应用】

  • 概述

    生产者消费者模式是一个十分经典的多线程协作的模式，弄懂生产者消费者问题能够让我们对多线程编程的理解更加深刻。

    所谓生产者消费者问题，实际上主要是包含了两类线程：

    一类是生产者线程用于生产数据

    一类是消费者线程用于消费数据

    为了解耦生产者和消费者的关系，通常会采用共享的数据区域，就像是一个仓库

    生产者生产数据之后直接放置在共享数据区中，并不需要关心消费者的行为

    消费者只需要从共享数据区中去获取数据，并不需要关心生产者的行为

  • Object类的等待和唤醒方法

    方法名说明
    void wait()导致当前线程等待，直到另一个线程调用该对象的 notify()方法或 notifyAll()方法
    void notify()唤醒正在等待对象监视器的单个线程
    void notifyAll()唤醒正在等待对象监视器的所有线程

3.2生产者和消费者案例【应用】

  • 案例需求

    • 桌子类(Desk)：定义表示包子数量的变量,定义锁对象变量,定义标记桌子上有无包子的变量

    • 生产者类(Cooker)：实现Runnable接口，重写run()方法，设置线程任务

      1.判断是否有包子,决定当前线程是否执行

      2.如果有包子,就进入等待状态,如果没有包子,继续执行,生产包子

      3.生产包子之后,更新桌子上包子状态,唤醒消费者消费包子

    • 消费者类(Foodie)：实现Runnable接口，重写run()方法，设置线程任务

      1.判断是否有包子,决定当前线程是否执行

      2.如果没有包子,就进入等待状态,如果有包子,就消费包子

      3.消费包子后,更新桌子上包子状态,唤醒生产者生产包子

    • 测试类(Demo)：里面有main方法，main方法中的代码步骤如下

      创建生产者线程和消费者线程对象

      分别开启两个线程

  • 代码实现

    public class Desk {
​
    //定义一个标记
    //true 就表示桌子上有汉堡包的,此时允许吃货执行
    //false 就表示桌子上没有汉堡包的,此时允许厨师执行
    public static boolean flag = false;
​
    //汉堡包的总数量
    public static int count = 10;
​
    //锁对象
    public static final Object lock = new Object();
}
​
public class Cooker extends Thread {
//    生产者步骤：
//            1，判断桌子上是否有汉堡包
//    如果有就等待，如果没有才生产。
//            2，把汉堡包放在桌子上。
//            3，叫醒等待的消费者开吃。
    @Override
    public void run() {
        while(true){
            synchronized (Desk.lock){
                if(Desk.count == 0){
                    break;
                }else{
                    if(!Desk.flag){
                        //生产
                        System.out.println("厨师正在生产汉堡包");
                        Desk.flag = true;
                        Desk.lock.notifyAll();
                    }else{
                        try {
                            Desk.lock.wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                }
            }
        }
    }
}
​
public class Foodie extends Thread {
    @Override
    public void run() {
//        1，判断桌子上是否有汉堡包。
//        2，如果没有就等待。
//        3，如果有就开吃
//        4，吃完之后，桌子上的汉堡包就没有了
//                叫醒等待的生产者继续生产
//        汉堡包的总数量减一
​
        //套路:
            //1. while(true)死循环
            //2. synchronized 锁,锁对象要唯一
            //3. 判断,共享数据是否结束. 结束
            //4. 判断,共享数据是否结束. 没有结束
        while(true){
            synchronized (Desk.lock){
                if(Desk.count == 0){
                    break;
                }else{
                    if(Desk.flag){
                        //有
                        System.out.println("吃货在吃汉堡包");
                        Desk.flag = false;
                        Desk.lock.notifyAll();
                        Desk.count--;
                    }else{
                        //没有就等待
                        //使用什么对象当做锁,那么就必须用这个对象去调用等待和唤醒的方法.
                        try {
                            Desk.lock.wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                }
            }
        }
​
    }
}
​
public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        /*消费者步骤：
        1，判断桌子上是否有汉堡包。
        2，如果没有就等待。
        3，如果有就开吃
        4，吃完之后，桌子上的汉堡包就没有了
                叫醒等待的生产者继续生产
        汉堡包的总数量减一*/
​
        /*生产者步骤：
        1，判断桌子上是否有汉堡包
        如果有就等待，如果没有才生产。
        2，把汉堡包放在桌子上。
        3，叫醒等待的消费者开吃。*/
​
        Foodie f = new Foodie();
        Cooker c = new Cooker();
​
        f.start();
        c.start();
​
    }
}

3.3生产者和消费者案例优化【应用】

  • 需求

    • 将Desk类中的变量,采用面向对象的方式封装起来

    • 生产者和消费者类中构造方法接收Desk类对象,之后在run方法中进行使用

    • 创建生产者和消费者线程对象,构造方法中传入Desk类对象

    • 开启两个线程

  • 代码实现

    public class Desk {
​
    //定义一个标记
    //true 就表示桌子上有汉堡包的,此时允许吃货执行
    //false 就表示桌子上没有汉堡包的,此时允许厨师执行
    //public static boolean flag = false;
    private boolean flag;
​
    //汉堡包的总数量
    //public static int count = 10;
    //以后我们在使用这种必须有默认值的变量
   // private int count = 10;
    private int count;
​
    //锁对象
    //public static final Object lock = new Object();
    private final Object lock = new Object();
​
    public Desk() {
        this(false,10); // 在空参内部调用带参,对成员变量进行赋值,之后就可以直接使用成员变量了
    }
​
    public Desk(boolean flag, int count) {
        this.flag = flag;
        this.count = count;
    }
​
    public boolean isFlag() {
        return flag;
    }
​
    public void setFlag(boolean flag) {
        this.flag = flag;
    }
​
    public int getCount() {
        return count;
    }
​
    public void setCount(int count) {
        this.count = count;
    }
​
    public Object getLock() {
        return lock;
    }
​
    @Override
    public String toString() {
        return "Desk{" +
                "flag=" + flag +
                ", count=" + count +
                ", lock=" + lock +
                '}';
    }
}
​
public class Cooker extends Thread {
​
    private Desk desk;
​
    public Cooker(Desk desk) {
        this.desk = desk;
    }
//    生产者步骤：
//            1，判断桌子上是否有汉堡包
//    如果有就等待，如果没有才生产。
//            2，把汉堡包放在桌子上。
//            3，叫醒等待的消费者开吃。
​
    @Override
    public void run() {
        while(true){
            synchronized (desk.getLock()){
                if(desk.getCount() == 0){
                    break;
                }else{
                    //System.out.println("验证一下是否执行了");
                    if(!desk.isFlag()){
                        //生产
                        System.out.println("厨师正在生产汉堡包");
                        desk.setFlag(true);
                        desk.getLock().notifyAll();
                    }else{
                        try {
                            desk.getLock().wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                }
            }
        }
    }
}
​
public class Foodie extends Thread {
    private Desk desk;
​
    public Foodie(Desk desk) {
        this.desk = desk;
    }
​
    @Override
    public void run() {
//        1，判断桌子上是否有汉堡包。
//        2，如果没有就等待。
//        3，如果有就开吃
//        4，吃完之后，桌子上的汉堡包就没有了
//                叫醒等待的生产者继续生产
//        汉堡包的总数量减一
​
        //套路:
            //1. while(true)死循环
            //2. synchronized 锁,锁对象要唯一
            //3. 判断,共享数据是否结束. 结束
            //4. 判断,共享数据是否结束. 没有结束
        while(true){
            synchronized (desk.getLock()){
                if(desk.getCount() == 0){
                    break;
                }else{
                    //System.out.println("验证一下是否执行了");
                    if(desk.isFlag()){
                        //有
                        System.out.println("吃货在吃汉堡包");
                        desk.setFlag(false);
                        desk.getLock().notifyAll();
                        desk.setCount(desk.getCount() - 1);
                    }else{
                        //没有就等待
                        //使用什么对象当做锁,那么就必须用这个对象去调用等待和唤醒的方法.
                        try {
                            desk.getLock().wait();
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }
                }
            }
        }
​
    }
}
​
public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        /*消费者步骤：
        1，判断桌子上是否有汉堡包。
        2，如果没有就等待。
        3，如果有就开吃
        4，吃完之后，桌子上的汉堡包就没有了
                叫醒等待的生产者继续生产
        汉堡包的总数量减一*/
​
        /*生产者步骤：
        1，判断桌子上是否有汉堡包
        如果有就等待，如果没有才生产。
        2，把汉堡包放在桌子上。
        3，叫醒等待的消费者开吃。*/
​
        Desk desk = new Desk();
​
        Foodie f = new Foodie(desk);
        Cooker c = new Cooker(desk);
​
        f.start();
        c.start();
​
    }
}

3.4阻塞队列基本使用【理解】

  • 阻塞队列继承结构

  • 常见BlockingQueue:

    ArrayBlockingQueue: 底层是数组,有界

    LinkedBlockingQueue: 底层是链表,无界.但不是真正的无界,最大为int的最大值

  • BlockingQueue的核心方法:

    put(anObject): 将参数放入队列,如果放不进去会阻塞

    take(): 取出第一个数据,取不到会阻塞

  • 代码示例

    public class Demo02 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建阻塞队列的对象,容量为 1
        ArrayBlockingQueue<String> arrayBlockingQueue = new ArrayBlockingQueue<>(1);
​
        // 存储元素
        arrayBlockingQueue.put("汉堡包");
​
        // 取元素
        System.out.println(arrayBlockingQueue.take());
        System.out.println(arrayBlockingQueue.take()); // 取不到会阻塞
​
        System.out.println("程序结束了");
    }
}

3.5阻塞队列实现等待唤醒机制【理解】

  • 案例需求

    • 生产者类(Cooker)：实现Runnable接口，重写run()方法，设置线程任务

      1.构造方法中接收一个阻塞队列对象

      2.在run方法中循环向阻塞队列中添加包子

      3.打印添加结果

    • 消费者类(Foodie)：实现Runnable接口，重写run()方法，设置线程任务

      1.构造方法中接收一个阻塞队列对象

      2.在run方法中循环获取阻塞队列中的包子

      3.打印获取结果

    • 测试类(Demo)：里面有main方法，main方法中的代码步骤如下

      创建阻塞队列对象

      创建生产者线程和消费者线程对象,构造方法中传入阻塞队列对象

      分别开启两个线程

  • 代码实现

    public class Cooker extends Thread {
​
    private ArrayBlockingQueue<String> bd;
​
    public Cooker(ArrayBlockingQueue<String> bd) {
        this.bd = bd;
    }
//    生产者步骤：
//            1，判断桌子上是否有汉堡包
//    如果有就等待，如果没有才生产。
//            2，把汉堡包放在桌子上。
//            3，叫醒等待的消费者开吃。
​
    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                bd.put("汉堡包");
                System.out.println("厨师放入一个汉堡包");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}
​
public class Foodie extends Thread {
    private ArrayBlockingQueue<String> bd;
​
    public Foodie(ArrayBlockingQueue<String> bd) {
        this.bd = bd;
    }
​
    @Override
    public void run() {
//        1，判断桌子上是否有汉堡包。
//        2，如果没有就等待。
//        3，如果有就开吃
//        4，吃完之后，桌子上的汉堡包就没有了
//                叫醒等待的生产者继续生产
//        汉堡包的总数量减一
​
        //套路:
        //1. while(true)死循环
        //2. synchronized 锁,锁对象要唯一
        //3. 判断,共享数据是否结束. 结束
        //4. 判断,共享数据是否结束. 没有结束
        while (true) {
            try {
                String take = bd.take();
                System.out.println("吃货将" + take + "拿出来吃了");
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
​
    }
}
​
public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        ArrayBlockingQueue<String> bd = new ArrayBlockingQueue<>(1);
​
        Foodie f = new Foodie(bd);
        Cooker c = new Cooker(bd);
​
        f.start();
        c.start();
    }
}

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