由生产者/消费者问题看JAVA多线程
【摘要】
转自:http://blog.csdn.net/coutcin/article/details/1213834
生产者消费者问题是研究多线程程序时绕不开的问题,它的描述是有一块生产者和消费者共享的有界缓冲区,生产者往缓冲区放入产品,消费者从缓冲区取走产品,这个过程可以无休止的执行,不能因缓冲区满生产者放不进产品而终止,...
转自:http://blog.csdn.net/coutcin/article/details/1213834
生产者消费者问题是研究多线程程序时绕不开的问题,它的描述是有一块生产者和消费者共享的有界缓冲区,生产者往缓冲区放入产品,消费者从缓冲区取走产品,这个过程可以无休止的执行,不能因缓冲区满生产者放不进产品而终止,也不能因缓冲区空消费者无产品可取而终止。
解决生产者消费者问题的方法有两种, 一种是采用某种机制保持生产者和消费者之间的同步 , 一种是在生产者和消费者之间建立一个管道 。前一种有较高的效率并且可控制性较好,比较常用,后一种由于管道缓冲区不易控制及被传输数据对象不易封装等原因,比较少用。
同步问题的核心在于,CPU是按时间片轮询的方式执行程序,我们无法知道某一个线程是否被执行、是否被抢占、是否结束等,因此生产者完全可能当缓冲区已满的时候还在放入产品,消费者也完全可能当缓冲区为空时还在取出产品。
现在 同步问题的解决方法 一般是采用信号或者加锁机制,即生产者线程当缓冲区已满时放弃自己的执行权,进入等待状态,并通知消费者线程执行。消费者线程当缓冲区已空时放弃自己的执行权,进入等待状态,并通知生产者线程执行。这样一来就保持了线程的同步,并避免了线程间互相等待而进入死锁状态。
JAVA语言提供了独立于平台的线程机制,保持了”write once, run anywhere”的特色。同时也提供了对同步机制的良好支持。
在JAVA中,一共有四种方法支持同步, 其中三个是同步方法,一个是管道方法 。
1. 方法wait()/notify()
2. 方法await()/signal()
3. 阻塞队列方法BlockingQueue
4. 管道方法PipedInputStream/PipedOutputStream
下面我们看各个方法的实现:
1. 方法wait()/notify()
wait()和notify()是根类Object的两个方法,也就意味着所有的JAVA类都会具有这个两个方法,为什么会被这样设计呢?我们可以认为所有的对象默认都具有一个锁,虽然我们看不到,也没有办法直接操作,但它是存在的。
wait()方法表示:当缓冲区已满或空时,生产者或消费者线程停止自己的执行,放弃锁,使自己处于等待状态,让另一个线程开始执行;
notify()方法表示:当生产者或消费者对缓冲区放入或取出一个产品时,向另一个线程发出可执行通知,同时放弃锁,使自己处于等待状态。
下面是一个例子代码:
解决生产者消费者问题的方法有两种, 一种是采用某种机制保持生产者和消费者之间的同步 , 一种是在生产者和消费者之间建立一个管道 。前一种有较高的效率并且可控制性较好,比较常用,后一种由于管道缓冲区不易控制及被传输数据对象不易封装等原因,比较少用。
同步问题的核心在于,CPU是按时间片轮询的方式执行程序,我们无法知道某一个线程是否被执行、是否被抢占、是否结束等,因此生产者完全可能当缓冲区已满的时候还在放入产品,消费者也完全可能当缓冲区为空时还在取出产品。
现在 同步问题的解决方法 一般是采用信号或者加锁机制,即生产者线程当缓冲区已满时放弃自己的执行权,进入等待状态,并通知消费者线程执行。消费者线程当缓冲区已空时放弃自己的执行权,进入等待状态,并通知生产者线程执行。这样一来就保持了线程的同步,并避免了线程间互相等待而进入死锁状态。
JAVA语言提供了独立于平台的线程机制,保持了”write once, run anywhere”的特色。同时也提供了对同步机制的良好支持。
在JAVA中,一共有四种方法支持同步, 其中三个是同步方法,一个是管道方法 。
1. 方法wait()/notify()
2. 方法await()/signal()
3. 阻塞队列方法BlockingQueue
4. 管道方法PipedInputStream/PipedOutputStream
下面我们看各个方法的实现:
1. 方法wait()/notify()
wait()和notify()是根类Object的两个方法,也就意味着所有的JAVA类都会具有这个两个方法,为什么会被这样设计呢?我们可以认为所有的对象默认都具有一个锁,虽然我们看不到,也没有办法直接操作,但它是存在的。
wait()方法表示:当缓冲区已满或空时,生产者或消费者线程停止自己的执行,放弃锁,使自己处于等待状态,让另一个线程开始执行;
notify()方法表示:当生产者或消费者对缓冲区放入或取出一个产品时,向另一个线程发出可执行通知,同时放弃锁,使自己处于等待状态。
下面是一个例子代码:
-
import java.util.LinkedList;
-
-
public class Sycn1{
-
private LinkedList<Object> myList =new LinkedList<Object>();
-
private int MAX = 10;
-
-
public Sycn1(){
-
}
-
-
public void start(){
-
new Producer().start();
-
new Consumer().start();
-
}
-
-
public static void main(String[] args) throws Exception{
-
Sycn1 s1 = new Sycn1();
-
s1.start();
-
}
-
-
class Producer extends Thread{
-
public void run(){
-
while(true){
-
synchronized(myList){
-
try{
-
while(myList.size() == MAX){
-
System.out.println("warning: it's full!");
-
myList.wait();
-
}
-
Object o = new Object();
-
if(myList.add(o)){
-
System.out.println("Producer: " + o);
-
myList.notify();
-
}
-
}catch(InterruptedException ie){
-
System.out.println("producer is interrupted!");
-
}
-
}
-
}
-
}
-
}
-
-
class Consumer extends Thread{
-
public void run(){
-
while(true){
-
synchronized(myList){
-
try{
-
while(myList.size() == 0){
-
System.out.println("warning: it's empty!");
-
myList.wait();
-
}
-
Object o = myList.removeLast();
-
System.out.println("Consumer: " + o);
-
myList.notify();
-
}catch(InterruptedException ie){
-
System.out.println("consumer is interrupted!");
-
}
-
}
-
}
-
}
-
}
-
-
}
2. 方法await()/signal()
在JDK5.0以后,JAVA提供了新的更加健壮的线程处理机制,包括了同步、锁定、线程池等等,它们可以实现更小粒度上的控制。await()和signal()就是其中用来做同步的两种方法,它们的功能基本上和wait()/notify()相同,完全可以取代它们,但是它们和新引入的锁定机制Lock直接挂钩,具有更大的灵活性。
下面是一个例子代码:
-
import java.util.LinkedList;
-
-
import java.util.concurrent.locks.*;
-
-
public class Sycn2{
-
private LinkedList<Object> myList = new LinkedList<Object>();
-
private int MAX = 10;
-
private final Lock lock = new ReentrantLock();
-
private final Condition full = lock.newCondition();
-
private final Condition empty = lock.newCondition();
-
-
public Sycn2(){
-
}
-
-
public void start(){
-
new Producer().start();
-
new Consumer().start();
-
}
-
-
public static void main(String[] args) throws Exception{
-
Sycn2 s2 = new Sycn2();
-
s2.start();
-
}
-
-
class Producer extends Thread{
-
public void run(){
-
while(true){
-
lock.lock();
-
try{
-
while(myList.size() == MAX){
-
System.out.println("warning: it's full!");
-
full.await();
-
}
-
Object o = new Object();
-
if(myList.add(o)){
-
System.out.println("Producer: " + o);
-
empty.signal();
-
}
-
}catch(InterruptedException ie){
-
System.out.println("producer is interrupted!");
-
}finally{
-
lock.unlock();
-
}
-
}
-
}
-
}
-
-
class Consumer extends Thread{
-
public void run(){
-
while(true){
-
lock.lock();
-
try{
-
while(myList.size() == 0){
-
System.out.println("warning: it's empty!");
-
empty.await();
-
}
-
Object o = myList.removeLast();
-
System.out.println("Consumer: " + o);
-
full.signal();
-
}catch(InterruptedException ie){
-
System.out.println("consumer is interrupted!");
-
}finally{
-
lock.unlock();
-
}
-
}
-
}
-
}
-
-
}
3. 阻塞队列方法BlockingQueue
BlockingQueue也是JDK5.0的一部分,它是一个已经在内部实现了同步的队列,实现方式采用的是我们的第2种await()/signal()方法。它可以在生成对象时指定容量大小。
它用于阻塞操作的是put()和take()方法。
put()方法类似于我们上面的生产者线程,容量最大时,自动阻塞。
take()方法类似于我们上面的消费者线程,容量为0时,自动阻塞。
下面是一个例子代码:
-
import java.util.concurrent.*;
-
-
public class Sycn3{
-
private LinkedBlockingQueue<Object> queue = new LinkedBlockingQueue<Object>(10);
-
private int MAX = 10;
-
-
public Sycn3(){
-
}
-
-
public void start(){
-
new Producer().start();
-
new Consumer().start();
-
}
-
-
public static void main(String[] args) throws Exception{
-
Sycn3 s3 = new Sycn3();
-
s3.start();
-
}
-
-
class Producer extends Thread{
-
public void run(){
-
while(true){
-
//synchronized(this){
-
try{
-
if(queue.size() == MAX)
-
System.out.println("warning: it's full!");
-
Object o = new Object();
-
queue.put(o);
-
System.out.println("Producer: " + o);
-
}catch(InterruptedException e){
-
System.out.println("producer is interrupted!");
-
}
-
//}
-
}
-
}
-
}
-
-
class Consumer extends Thread{
-
public void run(){
-
while(true){
-
//synchronized(this){
-
try{
-
if(queue.size() == 0)
-
System.out.println("warning: it's empty!");
-
Object o = queue.take();
-
System.out.println("Consumer: " + o);
-
}catch(InterruptedException e){
-
System.out.println("producer is interrupted!");
-
}
-
//}
-
}
-
}
-
}
-
-
}
你发现这个例子中的问题了吗?
如果没有,我建议你运行一下这段代码,仔细观察它的输出,是不是有下面这个样子的?为什么会这样呢?
…
warning: it's full!
Producer: java.lang.object@4526e2a
…
你可能会说这是因为put()和System.out.println()之间没有同步造成的,我也这样认为,我也这样认为,但是你把run()中的synchronized前面的注释去掉,重新编译运行,有改观吗?没有。为什么?
这是因为,当缓冲区已满,生产者在put()操作时,put()内部调用了await()方法,放弃了线程的执行,然后消费者线程执行,调用take()方法,take()内部调用了signal()方法,通知生产者线程可以执行,致使在消费者的println()还没运行的情况下生产者的println()先被执行,所以有了上面的输出。run()中的synchronized其实并没有起什么作用。
对于BlockingQueue大家可以放心使用,这可不是它的问题,只是在它和别的对象之间的同步有问题。
对于这种多重嵌套同步的问题,以后再谈吧,欢迎大家讨论啊!
4. 管道方法PipedInputStream/PipedOutputStream
这个类位于java.io包中,是解决同步问题的最简单的办法,一个线程将数据写入管道,另一个线程从管道读取数据,这样便构成了一种生产者/消费者的缓冲区编程模式。
下面是一个例子代码,在这个代码我没有使用Object对象,而是简单的读写字节值,这是因为PipedInputStream/PipedOutputStream不允许传输对象,这是JAVA本身的一个bug,具体的大家可以看sun的解释: http://bugs.sun.com/bugdatabase/view_bug.do?bug_id=4131126
-
import java.io.*;
-
-
public class Sycn4{
-
private PipedOutputStream pos;
-
private PipedInputStream pis;
-
//private ObjectOutputStream oos;
-
//private ObjectInputStream ois;
-
-
public Sycn4(){
-
try{
-
pos = new PipedOutputStream();
-
pis = new PipedInputStream(pos);
-
//oos = new ObjectOutputStream(pos);
-
//ois = new ObjectInputStream(pis);
-
}catch(IOException e){
-
System.out.println(e);
-
}
-
}
-
-
public void start(){
-
new Producer().start();
-
new Consumer().start();
-
}
-
-
public static void main(String[] args) throws Exception{
-
Sycn4 s4 = new Sycn4();
-
s4.start();
-
}
-
-
class Producer extends Thread{
-
public void run() {
-
try{
-
while(true){
-
int b = (int) (Math.random() * 255);
-
System.out.println("Producer: a byte, the value is " + b);
-
pos.write(b);
-
pos.flush();
-
//Object o = new MyObject();
-
//oos.writeObject(o);
-
//oos.flush();
-
//System.out.println("Producer: " + o);
-
}
-
}catch(Exception e){
-
//System.out.println(e);
-
e.printStackTrace();
-
}finally{
-
try{
-
pos.close();
-
pis.close();
-
//oos.close();
-
//ois.close();
-
}catch(IOException e){
-
System.out.println(e);
-
}
-
}
-
}
-
}
-
-
class Consumer extends Thread{
-
public void run(){
-
try{
-
while(true){
-
int b = pis.read();
-
System.out.println("Consumer: a byte, the value is " + String.valueOf(b));
-
//Object o = ois.readObject();
-
//if(o != null)
-
//System.out.println("Consumer: " + o);
-
}
-
}catch(Exception e){
-
//System.out.println(e);
-
e.printStackTrace();
-
}finally{
-
try{
-
pos.close();
-
pis.close();
-
//oos.close();
-
//ois.close();
-
}catch(IOException e){
-
System.out.println(e);
-
}
-
}
-
}
-
}
-
-
//class MyObject implements Serializable {
-
//}
-
}
文章来源: panda1234lee.blog.csdn.net,作者:panda1234lee,版权归原作者所有,如需转载,请联系作者。
原文链接:panda1234lee.blog.csdn.net/article/details/8520508
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