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。

　　***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***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***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，***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！