经典线程同步问题(生产者&消费者)--Java实现
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生产者-消费者(producer-consumer)问题是一个著名的线程同步问题。它描述的是:有一群生产者线程在生产产品,并将这些产品提供给消费者线程去消费。
为使生产者与消费者之间能够并发执行,在两者之间设置了一个具有n个缓冲区的缓冲池,生产者将它所生产的产品放入一个缓冲区中;消费者可以从一个缓冲区中取走产品产生消费。
尽管所有的生产者线程和消费者线程都是以异步方式运行的,但他们之间必须保持同步,即不允许消费者到一个空缓冲区去消费,也不允许生产者向一个已经被占用的缓冲区投放产品。
我把这个问题复杂化,设立m个缓冲池,每个缓冲池都有各自固定的容量,每个生产者或消费者在进行生产消费活动之前,先选择一个缓冲池。由此会引发一个线程死锁的问题:所有的生产者都在满的缓冲池等待,直到某个消费者取走一个产品,释放出一块缓冲区;同时所有的消费者都在空的缓冲池等待,直到某个生产者放进一个产品。
解决方法:记录每一个线程的等待状态,如果当前线程会产生等待,则检测是否会产生死锁(所有线程都在等待),如果会产生死锁,拒绝此次生产消费活动(换一个缓冲池)
Java Code:
public class ProducerAndConsumer {//作者:xelz,博客http://www.cnblogs.com/mingcn private static final int PRODUCTION_LINE_COUNT = 20;//生产线(缓冲池)条数 private static final int PRODUCTION_LINE_SIZE = 100;//生产线最大容量 private static final int PRODUCER_COUNT = 50;//生产者个数 private static final int CONSUMER_COUNT = 50;//消费者个数 public static void main(String[] args) { ProductionLine[] productionLine = new ProductionLine[PRODUCTION_LINE_COUNT]; Producer[] producer = new Producer[PRODUCER_COUNT]; Consumer[] consumer = new Consumer[CONSUMER_COUNT]; SyncLock.initLock(PRODUCER_COUNT, CONSUMER_COUNT);//初始化每个线程的等待状态 for(int i = 0; i < PRODUCTION_LINE_COUNT; i++) {//初始化每条生产线,随机容量 productionLine[i] = new ProductionLine((int) (Math.random() * PRODUCTION_LINE_SIZE) + 1, i); } for(int i = 0; i < PRODUCER_COUNT; i++) {//初始化生产者线程 producer[i] = new Producer(i, productionLine); new Thread(producer[i]).start(); } for(int i = 0; i < CONSUMER_COUNT; i++) {//初始化消费者线程 consumer[i] = new Consumer(i, productionLine); new Thread(consumer[i]).start(); } } } class Product {//产品(缓冲区)类 int productID;//制造者编号 int productionLineID;//生产线编号 int producerID;//产品编号(产品在该生产线上的位置) Product(int producerID) { this.producerID = producerID; } } class ProductionLine {//生产线(缓冲池)类 Product[] product;//缓冲池采用循环队列模式 int size;//缓冲池大小 int count;//缓冲池当前产品计数 int productionLineID;//生产线编号 int produceID;//队头指针,下一个被放入的产品的编号 int consumeID;//队尾指针,下一个被取走的产品的编号 ProductionLine(int size, int productionLineID) {//初始化生产线(缓冲池) this.size = size; this.productionLineID = productionLineID; product = new Product[size]; for(int i = 0; i < size / 2; i++) {//为防止刚开始产销不平衡,预先放置一半产品 putProduct(new Product(-1));//产品生产者编号-1,系统制造 } } boolean isFull() {//判断缓冲池是否满 return count == size; } boolean isEmpty() {//判断缓冲池是否空 return 0 == count; } void putProduct(Product product) {//放入一个产品,并将队头指针前移 this.product[produceID] = product; product.productID = produceID;//给产品贴上标签,产品编号,生产线编号 product.productionLineID = productionLineID; produceID = ++produceID % size;//下一个产品放置位置 count++; } Product getProduct() {//取出一个产品,并将队尾指针前移 Product product = this.product[consumeID]; this.product[consumeID] = null; consumeID = ++consumeID % size;//下一个产品取出位置 count--; return product; } } class Producer implements Runnable {//生产者线程 int producerID;//自己的生产者编号 ProductionLine[] productionLine;//共享的生产线 ProductionLine currentProductionLine; Producer(int producerID, ProductionLine[] productionLine) { this.producerID = producerID; this.productionLine = productionLine; } private void produce() {//生产活动 Product product; int productionLineID; while(true) { do {//选择一条生产线,若会产生死锁,则重选一条生产线 productionLineID = (int) (Math.random() * productionLine.length); currentProductionLine = productionLine[productionLineID]; } while((SyncLock.waitOnFull[producerID] = currentProductionLine.isFull()) && SyncLock.deadLock()); //synchronized(SyncLock.printSyncLock) { // System.out.print("Producer " + producerID +" wants to "); // System.out.println("produce at ProductionLine " + productionLineID); //} synchronized(currentProductionLine) {//同步对象:当前生产线,不能同时有两个及以上线程操作同一生产线 while(currentProductionLine.isFull()) {//缓冲池满,无法生产,等待 try { currentProductionLine.wait(); } catch(InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } product = new Product(producerID);//生产新的产品 currentProductionLine.putProduct(product);//加入缓冲池 synchronized(SyncLock.printSyncLock) {//打印生产线、生产者、产品ID及缓冲池是否变满 System.out.print("ProductionLine: " + productionLineID); System.out.print("\tProducer: " + producerID); System.out.print("\tProduct: " + product.productID); System.out.println(currentProductionLine.isFull() ? "\t(" + productionLineID + ")Full!" : ""); }//释放当前生产线同步锁 currentProductionLine.notifyAll();//生产活动结束,唤醒当前生产线上等待的其他生产者/消费者线程 } try { Thread.sleep((int) (Math.random() * 1000)); } catch(InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } public void run() { produce(); } } class Consumer implements Runnable { int consumerID;//自己的消费者编号 ProductionLine[] productionLine;//共享的生产线 ProductionLine currentProductionLine; Consumer(int consumerID, ProductionLine[] productionLine) { this.consumerID = consumerID; this.productionLine = productionLine; } private void consume() {//消费活动 Product product; int productionLineID; while(true) { do {//选择一条生产线,若会产生死锁,则重选一条生产线 productionLineID = (int) (Math.random() * productionLine.length); currentProductionLine = productionLine[productionLineID]; } while((SyncLock.waitOnEmpty[consumerID] = currentProductionLine.isEmpty()) && SyncLock.deadLock()); //synchronized(SyncLock.printSyncLock) { // System.out.print("Consumer " + consumerID +" wants to "); // System.out.println("consume at ProductionLine " + productionLineID); //} synchronized(currentProductionLine) {//同步对象:当前生产线,不能同时有两个及以上线程操作同一生产线 while(currentProductionLine.isEmpty()) {//缓冲池空,无法消费,等待 try { currentProductionLine.wait(); } catch(InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } product = currentProductionLine.getProduct();//消费产品 synchronized(SyncLock.printSyncLock) {//打印生产线、消费者、产品及其制造者ID,以及生产线是否变空 System.out.print("ProductionLine: " + productionLineID); System.out.print("\tConsumer: " + consumerID); System.out.print("\tProduct: " + product.productID); System.out.print("(" + product.producerID + ")"); System.out.println(currentProductionLine.isEmpty() ? "\t(" + productionLineID + ")Empty!" : ""); } currentProductionLine.notifyAll();//生产活动结束,唤醒当前生产线上等待的其他生产者/消费者线程 } try { Thread.sleep((int) (Math.random() * 1000)); } catch(InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } public void run() { consume(); } } class SyncLock {//提供死锁检测的静态方法,及打印同步 static final Object printSyncLock = new Object();//用于同步输出,防止不同线程输出交叉 static boolean[] waitOnEmpty;//指示某一消费者是否在空缓冲池等待 static boolean[] waitOnFull;//指示某一生产者是否在满缓冲池等待 static void initLock(int ProducerCount,int ConsumerCount) {//初始化等待指示器 waitOnEmpty = new boolean[ConsumerCount]; waitOnFull = new boolean[ProducerCount]; } static boolean deadLock() {//判断是否产生死锁 for(boolean b : waitOnEmpty) { if(!b) return false; } for(boolean b : waitOnFull) { if(!b) return false; } return true;//若所有线程都在等待状态,则产生死锁 } }