JUC_生产者消费者问题

桃扇骨 2023-09-27 10:32 127阅读 0赞

## 生产者与消费者问题 ##

### 问题概述 ###

> 生产者消费者问题（Producer-consumer problem），也称有限缓冲问题（Bounded-buffer problem），是一个多线程同步问题的经典案例。该问题描述了两个共享固定大小缓冲区的线程——即所谓的“生产者”和“消费者”——在实际运行时会发生的问题。生产者的主要作用是生成一定量的数据放到缓冲区中，然后重复此过程。与此同时，消费者也在缓冲区消耗这些数据。该问题的关键就是要保证生产者不会在缓冲区满时加入数据，消费者也不会在缓冲区中空时消耗数据。

### 解决方案 ###

> 要解决该问题，就必须让生产者在缓冲区满时休眠（要么干脆就放弃数据），等到下次消费者消耗缓冲区中的数据的时候，生产者才能被唤醒，开始往缓冲区添加数据。同样，也可以让消费者在缓冲区空时进入休眠，等到生产者往缓冲区添加数据之后，再唤醒消费者。

### 代码实现 ###

#### synchronized版 ####

package com.kuang.pc;
    /**
    * 线程之间的通信问题：生产者和消费者问题！ 等待唤醒，通知唤醒
    * 线程交替执行 A B 操作同一个变量 num = 0
    * A num+1
    * B num-1
    */
    public class A {
        
    public static void main(String[] args) {
        
    Data data = new Data();
    new Thread(()->{
        
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        
    try {
        
    data.increment();
    } catch (InterruptedException e) {
        
    e.printStackTrace();
    }
    }
    },"A").start();
    new Thread(()->{
        
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        
    try {
        
    data.decrement();
    } catch (InterruptedException e) {
        
    e.printStackTrace();
    }
    }
    },"B").start();
    }
    }
    // 判断等待，业务，通知
    class Data{
         // 数字 资源类
    private int number = 0;
    //+1
    public synchronized void increment() throws InterruptedException {
        
    if (number!=0){
         //0
    // 等待
    this.wait();
    }
    number++;
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+number);
    // 通知其他线程，我+1完毕了
    this.notifyAll();
    }
    //-1
    public synchronized void decrement() throws InterruptedException {
        
    if (number==0){
         // 1
    // 等待
    this.wait();
    }
    number--;
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+number);
    // 通知其他线程，我-1完毕了
    this.notifyAll();
    }
    }

##### 问题存在，A B C D 4 个线程！ 虚假唤醒 #####

\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-UuBWmLMN-1663642982236)(C:\\Users\\18358\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\image-20220920104740870.png)\]

##### 解决问题：if 改为 while 判断，if每次只能判断一次，等待之后就不能判断了，唤醒线程之后，就多会跳过判断语句直接执行下面的代码，使用while后每次，线程被唤醒后，都会在进行判断，就避免了数据被污染 #####

package com.kuang.pc;
    /**
    * 线程之间的通信问题：生产者和消费者问题！ 等待唤醒，通知唤醒
    * 线程交替执行 A B 操作同一个变量 num = 0
    * A num+1
    * B num-1
    */
    public class A {
        
    public static void main(String[] args) {
        
    Data data = new Data();
    new Thread(()->{
        
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        
    try {
        
    data.increment();
    } catch (InterruptedException e) {
        
    e.printStackTrace();
    }
    }
    },"A").start();
    new Thread(()->{
        
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        
    try {
        
    data.decrement();
    } catch (InterruptedException e) {
        
    e.printStackTrace();
    }
    }
    },"B").start();
    new Thread(()->{
        
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        
    try {
        
    data.increment();
    } catch (InterruptedException e) {
        
    e.printStackTrace();
    }
    }
    },"C").start();
    new Thread(()->{
        
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        
    try {
        
    data.decrement();
    } catch (InterruptedException e) {
        
    e.printStackTrace();
    }
    }
    },"D").start();
    }
    }
    // 判断等待，业务，通知
    class Data{
         // 数字 资源类
    private int number = 0;
    //+1
    public synchronized void increment() throws InterruptedException {
        
    while (number!=0){
         //0
    // 等待
    this.wait();
    }
    number++;
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+number);
    // 通知其他线程，我+1完毕了
    this.notifyAll();
    }
    //-1
    public synchronized void decrement() throws InterruptedException {
        
    while (number==0){
         // 1
    // 等待
    this.wait();
    }
    number--;
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+number);
    // 通知其他线程，我-1完毕了
    this.notifyAll();
    }
    }

#### JUC版（Lock），就使用封装的类来代替原始的synchronized锁 ####

\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-IBGm0OvP-1663642982237)(C:\\Users\\18358\\AppData\\Roaming\\Typora\\typora-user-images\\image-20220920105208893.png)\]

package com.kuang.pc;
    import java.util.concurrent.locks.Condition;
    import java.util.concurrent.locks.Lock;
    import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
    public class B {
        
    public static void main(String[] args) {
        
    Data2 data = new Data2();
    new Thread(()->{
        
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        
    try {
        
    data.increment();
    } catch (InterruptedException e) {
        
    e.printStackTrace();
    }
    }
    },"A").start();
    new Thread(()->{
        
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        
    try {
        
    data.decrement();
    } catch (InterruptedException e) {
        
    e.printStackTrace();
    }
    }
    },"B").start();
    new Thread(()->{
        
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        
    try {
        
    data.increment();
    } catch (InterruptedException e) {
        
    e.printStackTrace();
    }
    }
    },"C").start();
    new Thread(()->{
        
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        
    try {
        
    data.decrement();
    } catch (InterruptedException e) {
        
    e.printStackTrace();
    }
    }
    },"D").start();
    }
    }
    // 判断等待，业务，通知
    class Data2{
         // 数字 资源类
    private int number = 0;
    Lock lock = new ReentrantLock();
    Condition condition = lock.newCondition();
    //condition.await(); // 等待
    //condition.signalAll(); // 唤醒全部
    //+1
    public void increment() throws InterruptedException {
        
    lock.lock();
    try {
        
    // 业务代码
    while (number!=0){
         //0
    // 等待
    condition.await();
    }
    number++;
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+number);
    // 通知其他线程，我+1完毕了
    condition.signalAll();
    } catch (Exception e) {
        
    e.printStackTrace();
    } finally {
        
    lock.unlock();
    }
    }
    //-1
    public synchronized void decrement() throws InterruptedException {
        
    lock.lock();
    try {
        
    while (number==0){
         // 1
    // 等待
    condition.await();
    }
    number--;
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>"+number);
    // 通知其他线程，我-1完毕了
    condition.signalAll();
    } catch (Exception e) {
        
    e.printStackTrace();
    } finally {
        
    lock.unlock();
    }
    }
    }

#### 补充：Condition 精准的通知和唤醒线程（有 A、B、C、D 四个线程，我们要做到 A线程 执行完成之后唤醒 B线程 ，B线程 执行完成后唤醒 C线程，C线程 执行完之后唤醒 D线程，D线程执行完成之后再唤醒 A线程） ####

package com.kuang.pc;
    import java.util.concurrent.locks.Condition;
    import java.util.concurrent.locks.Lock;
    import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
    /**
    * A 执行完调用B，B执行完调用C，C执行完调用A
    */
    public class C {
        
    public static void main(String[] args) {
        
    Data3 data = new Data3();
    new Thread(()->{
        
    for (int i = 0; i <10 ; i++) {
        
    data.printA();
    }
    },"A").start();
    new Thread(()->{
        
    for (int i = 0; i <10 ; i++) {
        
    data.printB();
    }
    },"B").start();
    new Thread(()->{
        
    for (int i = 0; i <10 ; i++) {
        
    data.printC();
    }
    },"C").start();
    }
    }
    class Data3{
         // 资源类 Lock
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition condition1 = lock.newCondition();
    private Condition condition2 = lock.newCondition();
    private Condition condition3 = lock.newCondition();
    private int number = 1; // 1A 2B 3C
    public void printA(){
        
    lock.lock();
    try {
        
    // 业务，判断-> 执行-> 通知
    while (number!=1){
        
    // 等待
    condition1.await();
    }
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>AAAAAAA");
    // 唤醒，唤醒指定的人，B
    number = 2;
    condition2.signal();
    } catch (Exception e) {
        
    e.printStackTrace();
    } finally {
        
    lock.unlock();
    }
    }
    public void printB(){
        
    lock.lock();
    try {
        
    // 业务，判断-> 执行-> 通知
    while (number!=2){
        
    condition2.await();
    }
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>BBBBBBBBB");
    // 唤醒，唤醒指定的人，c
    number = 3;
    condition3.signal();
    for (int i = 0; i <10 ; i++) {
        
    data.printA();
    }
    },"A").start();
    new Thread(()->{
        
    for (int i = 0; i <10 ; i++) {
        
    data.printB();
    }
    },"B").start();
    new Thread(()->{
        
    for (int i = 0; i <10 ; i++) {
        
    data.printC();
    }
    },"C").start();
    }
    }
    class Data3{
         // 资源类 Lock
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    private Condition condition1 = lock.newCondition();
    private Condition condition2 = lock.newCondition();
    private Condition condition3 = lock.newCondition();
    private int number = 1; // 1A 2B 3C
    public void printA(){
        
    lock.lock();
    try {
        
    // 业务，判断-> 执行-> 通知
    while (number!=1){
        
    // 等待
    condition1.await();
    }
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>AAAAAAA");
    // 唤醒，唤醒指定的人，B
    number = 2;
    condition2.signal();
    } catch (Exception e) {
        
    e.printStackTrace();
    } finally {
        
    lock.unlock();
    }
    }
    public void printB(){
        
    lock.lock();
    try {
        
    // 业务，判断-> 执行-> 通知
    while (number!=2){
        
    condition2.await();
    }
    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"=>BBBBBBBBB");
    // 唤醒，唤醒指定的人，c
    number = 3;
    condition3.signal();

参考视频：[狂神说][Link 1]

小编很多的知识来源于狂神说，再次感谢狂神

[Link 1]: https://www.bilibili.com/video/BV1B7411L7tE?p=11&spm_id_from=pageDriver&vd_source=09be6f84d15366f03d0a38fb8aee890f