生产者-消费者模型的Java实现

秒速五厘米 2022-09-24 11:23 171阅读 0赞

生产者-消费者（producer-consumer）问题，也称作有界缓冲区（bounded-buffer）问题，两个进程共享一个公共的固定大小的缓冲区。其中一个是生产者，用于将消息放入缓冲区；另外一个是消费者，用于从缓冲区中取出消息。问题出现在当缓冲区已经满了，而此时生产者还想向其中放入一个新的数据项的情形，其解决方法是让生产者此时进行休眠，等待消费者从缓冲区中取走了一个或者多个数据后再去唤醒它。同样地，当缓冲区已经空了，而消费者还想去取消息，此时也可以让消费者进行休眠，等待生产者放入一个或者多个数据时再唤醒它。    
一，首先定义公共资源类，其中的变量number是保存的公共数据。并且定义两个方法，增加number的值和减少number的值。由于多线程的原因，必须加上synchronized关键字，注意while判断的条件。

/**
     * 公共资源类
     */
    public class PublicResource {
    
    	public int number = 0;
    
    	/**
    	 * 增加公共资源
    	 */
    	public synchronized void produce() {
    
    		while (number == 10) {
    			try {
    				wait();
    			} catch (InterruptedException e) {
    				// TODO Auto-generated catch block
    				e.printStackTrace();
    			}
    		}
    
    		number++;
    		System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "生产：" + number);
    		notify();
    	}
    
    	/**
    	 * 减少公共资源
    	 */
    	public synchronized void consume() {
    
    		while (number == 0) {
    			try {
    				wait();
    			} catch (InterruptedException e) {
    				// TODO Auto-generated catch block
    				e.printStackTrace();
    			}
    		}
    
    		number--;
    		System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "消费：" + number);
    		notify();
    	}
    }

二，分别定义生产者线程和消费者线程，并模拟多次生产和消费，即增加和减少公共资源的number值

/**
     * 生产者线程，负责生产公共资源
     */
    public class ProducerThread implements Runnable {
    
    	private PublicResource resource;
    
    	public ProducerThread(PublicResource resource) {
    		this.resource = resource;
    	}
    
    	@Override
    	public void run() {
    		// TODO Auto-generated method stub
    
    		for (int i = 0; i < 10; i++) {
    
    			try {
    				Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
    			} catch (InterruptedException e) {
    				// TODO Auto-generated catch block
    				e.printStackTrace();
    			}
    
    			resource.produce();
    		}
    	}
    }

/**
     * 消费者线程，负责消费公共资源
     */
    public class ConsumerThread implements Runnable {
    
    	private PublicResource resource;
    
    	public ConsumerThread(PublicResource resource) {
    		this.resource = resource;
    	}
    
    	@Override
    	public void run() {
    		// TODO Auto-generated method stub
    
    		for (int i = 0; i < 10; i++) {
    
    			try {
    				Thread.sleep((long) (Math.random() * 1000));
    			} catch (InterruptedException e) {
    				// TODO Auto-generated catch block
    				e.printStackTrace();
    			}
    
    			resource.consume();
    		}
    	}
    }

三，模拟多个生产者和消费者操作公共资源的情形，结果须保证是在允许的范围内。

public class ProducerConsumerTest {
    
    	public static void main(String[] args) {
    		
    		PublicResource resource = new PublicResource();
    		
    		new Thread(new ProducerThread(resource),"producter1").start();  
            	new Thread(new ConsumerThread(resource),"consumer1").start();  
    	}
    }

四，输出

producter1生产：1
    consumer1消费：0
    producter1生产：1
    consumer1消费：0
    producter1生产：1
    consumer1消费：0
    producter1生产：1
    producter1生产：2
    consumer1消费：1
    producter1生产：2
    producter1生产：3
    consumer1消费：2
    consumer1消费：1
    producter1生产：2
    producter1生产：3
    consumer1消费：2
    consumer1消费：1
    producter1生产：2
    consumer1消费：1
    consumer1消费：0

案例2：

/**
     * 仓库类Storage实现缓冲区
     * 
     */
    public class Storage {
    
    	// 仓库最大存储量
    	private final int MAX_SIZE = 100;
    
    	// 仓库存储的载体
    	private LinkedList<Object> list = new LinkedList<Object>();
    
    	// 生产num个产品
    	public void produce(int num) {
    
    		synchronized (list) {
    
    			// 如果仓库剩余容量不足
    			while (list.size() + num > MAX_SIZE) {
    				System.out.println("【要生产的产品数量】:" + num + "\t【库存量】:"
    						+ list.size() + "\t暂时不能执行生产任务!");
    				try {
    					// 由于条件不满足，生产阻塞
    					list.wait();
    				} catch (InterruptedException e) {
    					e.printStackTrace();
    				}
    			}
    
    			// 生产条件满足情况下，生产num个产品
    			for (int i = 1; i <= num; ++i) {
    				list.add(new Object());
    			}
    
    			System.out.println("【已经生产产品数】:" + num + "\t【现仓储量为】:" + list.size());
    
    			list.notifyAll();
    		}
    	}
    
    	// 消费num个产品
    	public void consume(int num) {
    
    		synchronized (list) {
    
    			// 如果仓库存储量不足
    			while (list.size() < num) {
    				System.out.println("【要消费的产品数量】:" + num + "\t【库存量】:"
    						+ list.size() + "\t暂时不能执行生产任务!");
    				try {
    					// 由于条件不满足，消费阻塞
    					list.wait();
    				} catch (InterruptedException e) {
    					e.printStackTrace();
    				}
    			}
    
    			// 消费条件满足情况下，消费num个产品
    			for (int i = 1; i <= num; ++i) {
    				list.remove();
    			}
    
    			System.out.println("【已经消费产品数】:" + num + "\t【现仓储量为】:" + list.size());
    
    			list.notifyAll();
    		}
    	}
    }

public class Producer extends Thread {
    
    	// 每次生产的产品数量
    	private int num;
    
    	// 所在放置的仓库
    	private Storage storage;
    
    	// 构造函数，设置仓库
    	public Producer(Storage storage) {
    		this.storage = storage;
    	}
    
    	public int getNum() {
    		return num;
    	}
    
    	public void setNum(int num) {
    		this.num = num;
    	}
    
    	@Override
    	public void run() {
    		// TODO Auto-generated method stub
    		storage.produce(num);
    	}
    }

public class Consumer extends Thread {
    
    	// 每次消费的产品数量
    	private int num;
    
    	// 所在放置的仓库
    	private Storage storage;
    
    	// 构造函数，设置仓库
    	public Consumer(Storage storage) {
    		this.storage = storage;
    	}
    
    	public int getNum() {
    		return num;
    	}
    
    	public void setNum(int num) {
    		this.num = num;
    	}
    
    	@Override
    	public void run() {
    		// TODO Auto-generated method stub
    		storage.consume(num);
    	}
    }

public class Test {
    
    	public static void main(String[] args) {
    
    		// 仓库对象
    		Storage storage = new Storage();
    
    		// 生产者对象
    		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);
    
    		// 消费者对象
    		Consumer c1 = new Consumer(storage);
    		Consumer c2 = new Consumer(storage);
    		Consumer c3 = new Consumer(storage);
    
    		// 设置生产者产品生产数量
    		p1.setNum(10);
    		p2.setNum(10);
    		p3.setNum(10);
    		p4.setNum(10);
    		p5.setNum(10);
    		p6.setNum(10);
    		p7.setNum(80);
    
    		// 设置消费者产品消费数量
    		c1.setNum(50);
    		c2.setNum(20);
    		c3.setNum(30);
    
    		// 线程开始执行
    		c1.start();
    		c2.start();
    		c3.start();
    		p1.start();
    		p2.start();
    		p3.start();
    		p4.start();
    		p5.start();
    		p6.start();
    		p7.start();
    	}
    }

OutPut：

【要消费的产品数量】:50	【库存量】:0	暂时不能执行生产任务!
    【已经生产产品数】:10	【现仓储量为】:10
    【要消费的产品数量】:50	【库存量】:10	暂时不能执行生产任务!
    【已经生产产品数】:10	【现仓储量为】:20
    【要消费的产品数量】:30	【库存量】:20	暂时不能执行生产任务!
    【已经消费产品数】:20	【现仓储量为】:0
    【已经生产产品数】:10	【现仓储量为】:10
    【已经生产产品数】:10	【现仓储量为】:20
    【要消费的产品数量】:30	【库存量】:20	暂时不能执行生产任务!
    【要消费的产品数量】:50	【库存量】:20	暂时不能执行生产任务!
    【已经生产产品数】:10	【现仓储量为】:30
    【要消费的产品数量】:50	【库存量】:30	暂时不能执行生产任务!
    【已经消费产品数】:30	【现仓储量为】:0
    【已经生产产品数】:80	【现仓储量为】:80
    【已经生产产品数】:10	【现仓储量为】:90
    【已经消费产品数】:50	【现仓储量为】:40