生产者-消费者模式

目光从厕所转到饭馆，一个饭馆里通常都有好多厨师以及好多服务员，这里我们把厨师称为生产者，把服务员称为消费者，厨师和服务员是不直接打交道的，而是在厨师做好菜之后放到窗口，服务员从窗口直接把菜端走给客人就好了，这样会极大的提升工作效率，因为省去了生产者和消费者之间的沟通成本。从java的角度看这个事情，每一个厨师就相当于一个生产者线程，每一个服务员都相当于一个消费者线程，而放菜的窗口就相当于一个缓冲队列，生产者线程不断把生产好的东西放到缓冲队列里，消费者线程不断从缓冲队列里取东西，画个图就像是这样：

现实中放菜的窗口能放的菜数量是有限的，我们假设这个窗口只能放5个菜。那么厨师在做完菜之后需要看一下窗口是不是满了，如果窗口已经满了的话，就在一旁抽根烟等待，直到有服务员来取菜的时候通知一下厨师窗口有了空闲，可以放菜了，这时厨师再把自己做的菜放到窗口上去炒下一个菜。从服务员的角度来说，如果窗口是空的，那么也去一旁抽根烟等待，直到有厨师把菜做好了放到窗口上，并且通知他们一下，然后再把菜端走。

我们先用java抽象一下菜：

public class Food {
 private static int counter = 0;
 private int i; //代表生产的第几个菜
 public Food() {
 i = ++counter;
 }
 @Override
 public String toString() {
 return "第" + i + "个菜";
 }
}

每次创建Food对象，字段i的值都会加1，代表这是创建的第几道菜。

为了故事的顺利进行，我们首先定义一个工具类：

class SleepUtil {
 private static Random random = new Random();
 
 public static void randomSleep() {
 try {
 Thread.sleep(random.nextInt(1000));
 } catch (InterruptedException e) {
 throw new RuntimeException(e);
 }
 }
}

SleepUtil的静态方法randomSleep代表当前线程随机休眠一秒内的时间。

然后我们再用java定义一下厨师：

public class Cook extends Thread {
 private Queue<Food> queue;
 public Cook(Queue<Food> queue, String name) {
 super(name);
 this.queue = queue;
 }
 @Override
 public void run() {
 while (true) {
 SleepUtil.randomSleep(); //模拟厨师炒菜时间
 Food food = new Food();
 System.out.println(getName() + " 生产了" + food);
 synchronized (queue) {
 while (queue.size() > 4) {
 try {
 System.out.println("队列元素超过5个，为：" + queue.size() + " " + getName() + "抽根烟等待中");
 queue.wait();
 } catch (InterruptedException e) {
 throw new RuntimeException(e);
 }
 }
 queue.add(food);
 queue.notifyAll();
 }
 }
 }
}

我们说每一个厨师Cook都是一个线程，内部维护了一个名叫queue的队列。在run方法中是一个死循环，代表不断的生产Food。他每生产一个Food后，都要判断queue队列中元素的个数是不是大于4，如果大于4的话，就调用queue.wait()等待，如果不大于4的话，就把创建号的Food对象放到queue队列中，由于可能多个线程同时访问queue的各个方法，所以对这段代码用queue对象来加锁保护。当向队列添加完刚创建的Food对象之后，就可以通知queue这个锁对象关联的等待队列中的服务员线程们可以继续端菜了。

然后我们再用java定义一下服务员：

class Waiter extends Thread {
 private Queue<Food> queue;
 public Waiter(Queue<Food> queue, String name) {
 super(name);
 this.queue = queue;
 }
 @Override
 public void run() {
 while (true) {
 Food food;
 synchronized (queue) {
 while (queue.size() < 1) {
 try {
 System.out.println("队列元素个数为：" + queue.size() + "，" + getName() + "抽根烟等待中");
 queue.wait();
 } catch (InterruptedException e) {
 throw new RuntimeException(e);
 }
 }
 food = queue.remove();
 System.out.println(getName() + " 获取到：" + food);
 queue.notifyAll();
 }
 SleepUtil.randomSleep(); //模拟服务员端菜时间
 }
 }
}

每个服务员也是一个线程，和厨师一样，都在内部维护了一个名叫queue的队列。在run方法中是一个死循环，代表不断的从队列中取走Food。每次在从queue队列中取Food对象的时候，都需要判断一下队列中的元素是否小于1，如果小于1的话，就调用queue.wait()等待，如果不小于1的话，也就是队列里有元素，就从队列里取走一个Food对象，并且通知与queue这个锁对象关联的等待队列中的厨师线程们可以继续向队列里放入Food对象了。

在厨师和服务员线程类都定义好了之后，我们再创建一个Restaurant类，来看看在餐馆里真实发生的事情：

public class Restaurant {
 public static void main(String[] args) {
 Queue<Food> queue = new LinkedList<>();
 new Cook(queue, "1号厨师").start();
 new Cook(queue, "2号厨师").start();
 new Cook(queue, "3号厨师").start();
 new Waiter(queue, "1号服务员").start();
 new Waiter(queue, "2号服务员").start();
 new Waiter(queue, "3号服务员").start();
 }
}

我们在Restaurant中安排了3个厨师和3个服务员，大家执行一下这个程序，会发现在如果厨师生产的过快，厨师就会等待，如果服务员端菜速度过快，服务员就会等待。但是整个过程厨师和服务员是没有任何关系的，它们是通过队列queue实现了所谓的解耦。

这个过程虽然不是很复杂，但是使用中还是需要注意一些问题：

• 我们这里的厨师和服务员使用同一个锁queue。
• 使用同一个锁是因为对queue的操作只能用同一个锁来保护，假设使用不同的锁，厨师线程调用queue.add方法，服务员线程调用queue.remove方法，这两个方法都不是原子操作，多线程并发执行的时候会出现不可预测的结果，所以我们使用同一个锁来保护对queue这个变量的操作，这一点我们在唠叨设计线程安全类的时候已经强调过了。

• 厨师和服务员线程使用同一个锁queue的后果就是厨师线程和服务员线程使用的是同一个等待队列。
• 但是同一时刻厨师线程和服务员线程不会同时在等待队列中，因为当厨师线程在wait的时候，队列里的元素肯定是5，此时服务员线程肯定是不会wait的，但是消费的过程是被锁对象queue保护的，所以在一个服务员线程消费了一个Food之后，就会调用notifyAll来唤醒等待队列中的厨师线程们；当消费者线程在wait的时候，队列里的元素肯定是0，此时厨师线程肯定是不会wait的，生产的过程是被锁对象queue保护的，所以在一个厨师线程生产了一个Food对象之后，就会调用notifyAll来唤醒等待队列中的服务员线程们。所以同一时刻厨师线程和服务员线程不会同时在等待队列中。

• 在生产和消费过程，我们都调用了SleepUtil.randomSleep();。
• 我们这里的生产者-消费者模型是把实际使用的场景进行了简化，真正的实际场景中生产过程和消费过程一般都会很耗时，这些耗时的操作最好不要放在同步代码块中，这样会造成别的线程的长时间阻塞。
• 如果把生产过程和消费过程都放在同步代码块中，也就是说在一个厨师炒菜的同时不允许别的厨师炒菜，在一个服务员端菜的同时不允许别的服务员端菜，这个显然是不合理的，大家需要注意这一点。

以上就是wait/notify机制的一个现实应用：生产者-消费者模式的一个简介。

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