Java多线程 - 线程通信(线程协作)

2023-11-05

生产者消费者模式

举个例子,我作为消费者去肯德基买鸡块吃,正常情况下,如果还有鸡块的话就直接卖给我了,如果没有的话,前台就会通知后面的大厨进行制作,那么大厨就相当于是生产者。大厨做好之后会给到前台,然后前台通知我(消费者)来取餐。

在线程中,生产者是一条线程,消费者是一条线程,中间有个产品,如果有产品的话就进行通知,没有的话就进行等待。这样一来,两条线程之间就有了依赖及协作。

应用场景:

  • 假设仓库中只能存放一件产品,生产者将生产出来的产品放入仓库,消费者将仓库中产品取走消费
  • 如果仓库中没有产品,则生产者将产品放入仓库,否则停止生产并等待,直到仓库中的产品被消费者取走为止
  • 如果仓库中放有产品,则消费者可以将产品取走消费,否则停止消费并等待直到仓库中再次放入产品为止
    在这里插入图片描述
    分析:这是一个线程同步问题,生产者和消费者共享同一个资源,并且生产者和消费者之间相互依赖,互为条件
  • 对于生产者,没有生产产品之前,要通知消费者等待.而生产了产品之后,又需要马上通知消费者消费
  • 对于消费者,在消费之后,要通知生产者已经结束消费,需要生产新的产品以供消费
  • 在生产者消费者问题中,仅有 synchronized是不够的
    • synchronized可阻止并发更新同一个共享资源,实现了同步
    • synchronized不能用来实现不同线程之间的消息传递(通信)

Java提供了几个方法解决线程之间的通信问题

方法名 作用
wait() 表示线程一直等待,直到其他线程通知,与sleep不同,会释放锁
wait(long timeout) 指定等待的亳秒数
notify 唤醒一个处于等待状态的线程
notifyAll() 唤醒同一个对象上所有调用wa(方法的线程,优先级别高的线程优先调度

注意:均是 Object类的方法,都只能在同步方法或者同步代码块中使用,否则会抛出异常 llegalMonitorStateException

解决方式1 - 管程法

并发协作模型 “生产者/消费者模式” —> 管程法

  • 生产者:负责生产数据的模块(可能是方法,对象,线程,进程)
  • 消费者:负责处理数据的模块(可能是方法,对象,线程,进程)
  • 缓冲区:消费者不能直接使用生产者的数据,他们之间有个“缓冲区”

生产者将生产好的数据放入缓冲区,消费者从缓冲区拿出数据

用代码模拟一个场景:

生产者只顾生产,消费者只顾消费,利用一个缓冲区,容量大小为10;
缓冲区有两个方法:

  • 放入产品:当产品丢过来的时候,先判断一下缓冲区有没有满,如果满了,生产者就要进行等待;如果没满,就把产品放进去,有了产品之后,就通知消费者进行消费。
  • 消费产品:消费之前先判断有没有产品,如果有就直接进行消费,消费完了通知生产者;如果没有,就进行等待,等待生产者的通知。
public class ThreadDemo {
    public static void main(String[] args) {
        SynContainer synContainer = new SynContainer();
        new Productor(synContainer).start();
        new Consumer(synContainer).start();
    }
}

// 生产者
class Productor extends Thread {
    SynContainer synContainer;

    public Productor(SynContainer synContainer) {
        this.synContainer = synContainer;
    }

    // 生产
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            synContainer.push(new Chicken(i));
            System.out.println("生产了第" + i + "只鸡");
        }
    }
}


// 消费者
class Consumer extends Thread {
    SynContainer synContainer;

    public Consumer(SynContainer synContainer) {
        this.synContainer = synContainer;
    }

    // 消费
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println("消费了第--->" + synContainer.pop().id + "只鸡");
        }
    }
}


// 产品
class Chicken {
    // 产品编号
    int id;

    public Chicken(int id) {
        this.id = id;
    }
}

// 缓冲区
class SynContainer {
    // 需要一个容器
    Chicken[] chickens = new Chicken[10];
    // 容器计数器
    int count = 0;

    // 生产者放入产品
    public synchronized void push(Chicken chicken) {
        // 如果容器满了,就需要等待消费者消费
        if (count == chickens.length) {
            // 通知消费者消费,生产者进行等待
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        // 如果容器没满,就需要放入产品
        chickens[count] = chicken;
        count++;

        // 通知消费者可以消费了
        this.notifyAll();
    }

    // 消费者消费产品
    public synchronized Chicken pop() {
        // 判断能否消费
        if (count == 0) {
            // 等待生产者生产,消费者等待
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        // 如果可以消费
        count--;

        // 消费完了,通知生产者生产
        this.notifyAll();

        // 返回消费的是哪只鸡
        return chickens[count];
    }
}

在这里插入图片描述
可以看到,生产者生产完了,消费者立马消费,消费者消费完了,生产者又立马生产;这是一个轮流的过程,一直保持着生产者跟消费者之间的互相等待。

解决方式2 - 信号灯法

并发协作模型“生产者/消费者模式” —> 信号灯法
使用一个标志位,如果标志位为true,就等待,如果为false,就通知另一个线程。

代码模拟场景:
演员(生产者)表演节目,观众(消费者)观看节目。
用一个标志位控制线程什么时候等待,什么时候通知。

public class ThreadDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        TV tv = new TV();
        new Player(tv).start();
        new Watcher(tv).start();
    }
}

// 生产者 -> 演员
class Player extends Thread {
    TV tv;

    public Player(TV tv) {
        this.tv = tv;
    }

    // 生产
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            this.tv.play("电视剧第" + i + "段");
        }
    }
}


// 消费者 -> 观众
class Watcher extends Thread {
    TV tv;

    public Watcher(TV tv) {
        this.tv = tv;
    }

    // 消费
    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 20; i++) {
            tv.watch();
        }
    }
}


// 产品 -> 节目
class TV {
    // 演员表演,观众等待
    // 观众观看,演员等待

    // 表演的节目
    String voice;
    // 标志位
    boolean flag = true;

    // 表演
    public synchronized void play(String voice) {
        if (!flag) {
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        this.voice = voice;
        System.out.println("演员表演了:" + voice);
        this.flag = !this.flag;
        // 通知观众观看
        this.notifyAll();
    }

    // 表演
    public synchronized void watch() {
        if (flag) {
            try {
                this.wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println("观众观看了:" + voice);
        this.flag = !this.flag;
        // 通知演员表演
        this.notifyAll();
    }
}

在这里插入图片描述
演员演一段,观众看一段

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