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
	}
	
}
posted @ 2010-10-26 01:11  xelz  阅读(7123)  评论(2编辑  收藏  举报