引言

　　生產者和消費者問題是線程模型中的經典問題：生產者和消費者在同一時間段內共用同一個存儲空間，如下圖所示，生產者向空間里存放數據，而消費者取用數據，如果不加以協調可能會出現以下情況：

生產者消費者圖

　　存儲空間已滿，而生產者占用著它，消費者等著生產者讓出空間從而去除產品，生產者等著消費者消費產品，從而向空間中添加產品。互相等待，從而發生死鎖。

　　生產者消費者問題是研究多線程程序時繞不開的經典問題之一，它描述是有一塊緩沖區作為倉庫，生產者可以將產品放入倉庫，消費者則可以從倉庫中取走產品。解決生產者/消費者問題的方法可分為兩類：

　　（1）采用某種機制保護生產者和消費者之間的同步；

　　（2）在生產者和消費者之間建立一個管道。

　　第一種方式有較高的效率，并且易于實現，代碼的可控制性較好，屬于常用的模式。第二種管道緩沖區不易控制，被傳輸數據對象不易于封裝等，實用性不強。因此本文只介紹同步機制實現的生產者/消費者問題。

　　同步問題核心在于：如何保證同一資源被多個線程并發訪問時的完整性。常用的同步方法是采用信號或加鎖機制，保證資源在任意時刻至多被一個線程訪問。Java語言在多線程編程上實現了完全對象化，提供了對同步機制的良好支持。在Java中一共有四種方法支持同步，其中前三個是同步方法，一個是管道方法。

（1）wait() / notify()方法

（2）await() / signal()方法

（3）BlockingQueue阻塞隊列方法

（4）PipedInputStream / PipedOutputStream

本文只介紹最常用的前兩種種，第三、四種暫不做討論，有興趣的讀者可以自己去網上找答案。

一、wait() / notify()方法

　　wait() / nofity()方法是基類Object的兩個方法，也就意味著所有Java類都會擁有這兩個方法，這樣，我們就可以為任何對象實現同步機制。

　　wait()方法：當緩沖區已滿/空時，生產者/消費者線程停止自己的執行，放棄鎖，使自己處于等等狀態，讓其他線程執行。

　　notify()方法：當生產者/消費者向緩沖區放入/取出一個產品時，向其他等待的線程發出可執行的通知，同時放棄鎖，使自己處于等待狀態。

代碼實現：

1、倉庫類

import java.util.LinkedList;  /**  * 倉庫類Storage實現緩沖區  *   * @author zcr  */  public class Storage  {      // 倉庫最大存儲量      PRivate final int MAX_SIZE = 100;        // 倉庫存儲的載體      private LinkedList<Object> list = new LinkedList<Object>();        /**     * 生產num個產品     * @param num 生產產品的數量     */    public void produce(int num)      {          // 同步代碼段          synchronized (list)          {              // 如果倉庫剩余容量不足              while (list.size() + num > MAX_SIZE)              {                  System.out.println("【要生產的產品數量】:" + num + " /t 【庫存量】:"                          + list.size() + "/t 暫時不能執行生產任務!");                  try                  {                      // 由于條件不滿足，生產阻塞                      list.wait();                  }                  catch (InterruptedException e)                  {                      e.printStackTrace();                  }              }                // 生產條件滿足情況下，生產num個產品              for (int i = 1; i <= num; ++i)              {                  list.add(new Object());              }                System.out.println("【已經生產產品數】:" + num + "/t 【現倉儲量為】:" + list.size());                list.notifyAll();          }      }        /**     * 消費num個產品     * @param num 消費產品數量     */    public void consume(int num)      {          // 同步代碼段          synchronized (list)          {              // 如果倉庫存儲量不足              while (list.size() < num)              {                  System.out.println("【要消費的產品數量】:" + num + " /t【庫存量】:"                          + list.size() + " /t 暫時不能執行生產任務!");                  try                  {                      // 由于條件不滿足，消費阻塞                      list.wait();                  }                  catch (InterruptedException e)                  {                      e.printStackTrace();                  }              }                // 消費條件滿足情況下，消費num個產品              for (int i = 1; i <= num; ++i)              {                  list.remove();              }                System.out.println("【已經消費產品數】:" + num + " /t 【現倉儲量為】:" + list.size());                list.notifyAll();          }      }        // get/set方法      public LinkedList<Object> getList()      {          return list;      }        public void setList(LinkedList<Object> list)      {          this.list = list;      }        public int getMAX_SIZE()      {          return MAX_SIZE;      }  }  

2、生產者

/**  * 生產者類Producer繼承線程類Thread  *   *   * @author zcr *   */  public class Producer extends Thread  {      // 每次生產的產品數量      private int num;        // 所在放置的倉庫      private Storage storage;        // 構造函數，設置倉庫      public Producer(Storage storage)      {          this.storage = storage;      }        // 線程run函數      public void run()      {          produce(num);      }        // 調用倉庫Storage的生產函數      public void produce(int num)      {          storage.produce(num);      }        // get/set方法      public int getNum()      {          return num;      }        public void setNum(int num)      {          this.num = num;      }        public Storage getStorage()      {          return storage;      }        public void setStorage(Storage storage)      {          this.storage = storage;      }  }  

3、消費者

/**  * 消費者類Consumer繼承線程類Thread  *   *   * @author zcr *   */  public class Consumer extends Thread  {      // 每次消費的產品數量      private int num;        // 所在放置的倉庫      private Storage storage;        // 構造函數，設置倉庫      public Consumer(Storage storage)      {          this.storage = storage;      }        // 線程run函數      public void run()      {          consume(num);      }        // 調用倉庫Storage的生產函數      public void consume(int num)      {          storage.consume(num);      }        // get/set方法      public int getNum()      {          return num;      }        public void setNum(int num)      {          this.num = num;      }        public Storage getStorage()      {          return storage;      }        public void setStorage(Storage storage)      {          this.storage = storage;      }  }  

4、測試類

/**  * 測試類Test  * @author zcr *   */  public class Test  {      public static void main(String[] args)      {          // 倉庫對象          Storage storage = new Storage();            // 生產者對象          Producer p1 = new Producer(storage);          Producer p2 = new Producer(storage);          Producer p3 = new Producer(storage);          Producer p4 = new Producer(storage);          Producer p5 = new Producer(storage);          Producer p6 = new Producer(storage);          Producer p7 = new Producer(storage);            // 消費者對象          Consumer c1 = new Consumer(storage);          Consumer c2 = new Consumer(storage);          Consumer c3 = new Consumer(storage);            // 設置生產者產品生產數量          p1.setNum(10);          p2.setNum(10);          p3.setNum(10);          p4.setNum(10);          p5.setNum(10);          p6.setNum(10);          p7.setNum(80);            // 設置消費者產品消費數量          c1.setNum(50);          c2.setNum(20);          c3.setNum(30);            // 線程開始執行          c1.start();          c2.start();          c3.start();          p1.start();          p2.start();          p3.start();          p4.start();          p5.start();          p6.start();          p7.start();      }  } 

5、結果：

【要消費的產品數量】:50     【庫存量】:0      暫時不能執行生產任務!【要消費的產品數量】:20     【庫存量】:0      暫時不能執行生產任務!【已經生產產品數】:10     【現倉儲量為】:10【要消費的產品數量】:20     【庫存量】:10      暫時不能執行生產任務!【要消費的產品數量】:50     【庫存量】:10      暫時不能執行生產任務!【已經生產產品數】:10     【現倉儲量為】:20【已經生產產品數】:10     【現倉儲量為】:30【要消費的產品數量】:50     【庫存量】:30      暫時不能執行生產任務!【已經消費產品數】:20      【現倉儲量為】:10【已經生產產品數】:10     【現倉儲量為】:20【已經生產產品數】:10     【現倉儲量為】:30【要消費的產品數量】:50     【庫存量】:30      暫時不能執行生產任務!【已經生產產品數】:10     【現倉儲量為】:40【已經消費產品數】:30      【現倉儲量為】:10【要消費的產品數量】:50     【庫存量】:10      暫時不能執行生產任務!【已經生產產品數】:80     【現倉儲量為】:90【已經消費產品數】:50      【現倉儲量為】:40

　　看完上述代碼，對wait() / notify()方法實現的同步有了了解。你可能會對Storage類中為什么要定義public void produce(int num);和public void consume(int num);方法感到不解，為什么不直接在生產者類Producer和消費者類Consumer中實現這兩個方法，卻要調用Storage類中的實現呢？淡定，后文會有解釋。我們先往下走。

二、await() / signal()方法

　　在JDK5.0之后，Java提供了更加健壯的線程處理機制，包括同步、鎖定、線程池等，它們可以實現更細粒度的線程控制。await()和signal()就是其中用來做同步的兩種方法，它們的功能基本上和wait() / nofity()相同，完全可以取代它們，但是它們和新引入的鎖定機制Lock直接掛鉤，具有更大的靈活性。通過在Lock對象上調用newCondition()方法，將條件變量和一個鎖對象進行綁定，進而控制并發程序訪問競爭資源的安全。

　　下面來看代碼：　　

　　只需要更新倉庫類Storage的代碼即可，生產者Producer、消費者Consumer、測試類Test的代碼均不需要進行任何更改。

倉庫類

import java.util.LinkedList;import java.util.concurrent.locks.Condition;import java.util.concurrent.locks.Lock;import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;/** * 倉庫類Storage實現緩沖區 *  *  * @author MONKEY.D.MENG 2011-03-15 *  */public class Storage{    // 倉庫最大存儲量    private final int MAX_SIZE = 100;    // 倉庫存儲的載體    private LinkedList<Object> list = new LinkedList<Object>();    // 鎖    private final Lock lock = new ReentrantLock();    // 倉庫滿的條件變量    private final Condition full = lock.newCondition();    // 倉庫空的條件變量    private final Condition empty = lock.newCondition();    // 生產num個產品    public void produce(int num)    {        // 獲得鎖        lock.lock();        // 如果倉庫剩余容量不足        while (list.size() + num > MAX_SIZE)        {            System.out.println("【要生產的產品數量】:" + num + "/t【庫存量】:" + list.size()                    + "/t暫時不能執行生產任務!");            try            {                // 由于條件不滿足，生產阻塞                full.await();            }            catch (InterruptedException e)            {                e.printStackTrace();            }        }        // 生產條件滿足情況下，生產num個產品        for (int i = 1; i <= num; ++i)        {            list.add(new Object());        }        System.out.println("【已經生產產品數】:" + num + "/t【現倉儲量為】:" + list.size());        // 喚醒其他所有線程        full.signalAll();        empty.signalAll();        // 釋放鎖        lock.unlock();    }    // 消費num個產品    public void consume(int num)    {        // 獲得鎖        lock.lock();        // 如果倉庫存儲量不足        while (list.size() < num)        {            System.out.println("【要消費的產品數量】:" + num + "/t【庫存量】:" + list.size()                    + "/t暫時不能執行生產任務!");            try            {                // 由于條件不滿足，消費阻塞                empty.await();            }            catch (InterruptedException e)            {                e.printStackTrace();            }        }        // 消費條件滿足情況下，消費num個產品        for (int i = 1; i <= num; ++i)        {            list.remove();        }        System.out.println("【已經消費產品數】:" + num + "/t【現倉儲量為】:" + list.size());        // 喚醒其他所有線程        full.signalAll();        empty.signalAll();        // 釋放鎖        lock.unlock();    }    // set/get方法    public int getMAX_SIZE()    {        return MAX_SIZE;    }    public LinkedList<Object> getList()    {        return list;    }    public void setList(LinkedList<Object> list)    {        this.list = list;    }}

結果：

【要消費的產品數量】:50/t【庫存量】:0/t暫時不能執行生產任務!【已經生產產品數】:10/t【現倉儲量為】:10【已經生產產品數】:10/t【現倉儲量為】:20【要消費的產品數量】:30/t【庫存量】:20/t暫時不能執行生產任務!【已經消費產品數】:20/t【現倉儲量為】:0【已經生產產品數】:10/t【現倉儲量為】:10【已經生產產品數】:10/t【現倉儲量為】:20【要消費的產品數量】:50/t【庫存量】:20/t暫時不能執行生產任務!【已經生產產品數】:10/t【現倉儲量為】:30【已經生產產品數】:10/t【現倉儲量為】:40【要生產的產品數量】:80/t【庫存量】:40/t暫時不能執行生產任務!【已經消費產品數】:30/t【現倉儲量為】:10【要消費的產品數量】:50/t【庫存量】:10/t暫時不能執行生產任務!【已經生產產品數】:80/t【現倉儲量為】:90【已經消費產品數】:50/t【現倉儲量為】:40

　　這樣我們就知道為神馬我要在Storage類中定義public void produce(int num);和public void consume(int num);方法，并在生產者類Producer和消費者類Consumer中調用Storage類中的實現了吧。將可能發生的變化集中到一個類中，不影響原有的構架設計，同時無需修改其他業務層代碼。

總結

　　兩種方式原理一致，都是對獨占空間加鎖，阻塞和喚醒線程，第一種方式比較傳統，第二種方式速度比較快。

　　致謝：感謝您的耐心閱讀！