Java多線程通信問題深入瞭解

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概述

多線程通信問題，也就是生產者與消費者問題

生產者和消費者為兩個線程，兩個線程在運行過程中交替睡眠，生產者在生產時消費者沒有在消費，消費者在消費時生產者沒有在生產，確保數據安全

以下為百度百科對於該問題的解釋：

生產者與消費者問題：
生產者消費者問題（Producer-consumer problem），也稱有限緩沖問題（Bounded-buffer problem），是一個多線程同步問題的經典案例。該問題描述瞭兩個共享固定大小緩沖區的線程——即所謂的“生產者”和“消費者”——在實際運行時會發生的問題。生產者的主要作用是生成一定量的數據放到緩沖區中，然後重復此過程。與此同時，消費者也在緩沖區消耗這些數據。該問題的關鍵就是要保證生產者不會在緩沖區滿時加入數據，消費者也不會在緩沖區中空時消耗數據。

解決辦法：
要解決該問題，就必須讓生產者在緩沖區滿時休眠（要麼幹脆就放棄數據），等到下次消費者消耗緩沖區中的數據的時候，生產者才能被喚醒，開始往緩沖區添加數據。同樣，也可以讓消費者在緩沖區空時進入休眠，等到生產者往緩沖區添加數據之後，再喚醒消費者。通常采用進程間通信的方法解決該問題，常用的方法有信號燈法等。如果解決方法不夠完善，則容易出現死鎖的情況。出現死鎖時，兩個線程都會陷入休眠，等待對方喚醒自己。該問題也能被推廣到多個生產者和消費者的情形。

引入

該過程可以類比為一個栗子：

廚師為生產者，服務員為消費者，假設隻有一個盤子盛放食品。

廚師在生產食品（廚師線程運行）的過程中，服務員應當等待（服務員線程睡眠），等到食品生產完成（廚師線程結束）後將食品放入盤子中，服務員將盤子端出去（服務員線程運行），此時沒有盤子可以放食品，因此廚師休息（廚師線程休眠），一段時間過後服務員將盤子拿回來（服務員線程結束），廚師開始進行生產食品（廚師線程運行），服務員在一旁等待（服務員線程睡眠）…

在此過程中，廚師和服務員兩個線程交替睡眠，廚師在做飯時服務員沒有端盤子（廚師線程運行時服務員線程睡眠），服務員在端盤子時廚師沒有在做飯（服務員線程運行時廚師線程睡眠），確保瞭數據的安全

根據廚師和服務員這個栗子，我們可以通過代碼來一步步實現

  • 定義廚師線程
 /**
     * 廚師，是一個線程
     */
    static class Cook extends Thread{
        private Food f;
        public Cook(Food f){
            this.f = f;
        }
        //運行的線程，生成100道菜
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0 ; i < 100; i ++){
                if(i % 2 == 0){
                    f.setNameAneTaste("小米粥","沒味道，不好吃");
                }else{
                    f.setNameAneTaste("老北京雞肉卷","甜辣味");
                }
            }
        }
    }
  • 定義服務員線程
/**
     * 服務員，是一個線程
     */
    static class Waiter extends Thread{
        private Food f;
        public Waiter(Food f){
            this.f = f;
        }
        @Override
        public void run() {
            for(int i =0 ; i < 100;i ++){
                //等待
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                f.get();
            }
        }//end run
    }//end waiter
  • 新建食物類
 /**
     * 食物，對象
     */
    static class Food{
        private String name;
        private String taste;
        public void setNameAneTaste(String name,String taste){
            this.name = name;
            //加瞭這段之後，有可能這個地方的時間片更有可能被搶走，從而執行不瞭this.taste = taste
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            this.taste = taste;
        }//end set
        public void get(){
            System.out.println("服務員端走的菜的名稱是：" + this.name + " 味道：" + this.taste);
        }
    }//end food

main方法中去調用兩個線程

    public static void main(String[] args) {
        Food f = new Food();
        Cook c = new Cook(f);
        Waiter w = new Waiter(f);
        c.start();//廚師線程
        w.start();//服務生線程     
    }

運行結果：

隻截取瞭一部分，我們可以看到，“小米粥”並沒有每次都對應“沒味道，不好吃”，“老北京雞肉卷”也沒有每次都對應“甜辣味”，而是一種錯亂的對應關系

…
服務員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷 味道：沒味道，不好吃
服務員端走的菜的名稱是：小米粥 味道：甜辣味
服務員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷 味道：沒味道，不好吃
服務員端走的菜的名稱是：小米粥 味道：甜辣味
服務員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷 味道：沒味道，不好吃
服務員端走的菜的名稱是：小米粥 味道：甜辣味
服務員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷 味道：沒味道，不好吃
服務員端走的菜的名稱是：小米粥 味道：甜辣味
服務員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷 味道：沒味道，不好吃
服務員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷 味道：甜辣味
…

name和taste對應錯亂的原因：

當廚師調用set方法時，剛設置完name，程序進行瞭休眠，此時服務員可能已經將食品端走瞭，而此時的taste是上一次運行時保留的taste。

兩個線程一起運行時，由於使用搶占式調度模式，沒有協調，因此出現瞭該現象

以上運行結果解釋如圖：

在這裡插入圖片描述

加入線程安全

針對上面的線程不安全問題，對廚師set和服務員get這兩個線程都使用synchronized關鍵字，實現線程安全，即：當一個線程正在執行時，另外的線程不會執行，在後面排隊等待當前的程序執行完後再執行

代碼如下所示，分別給兩個方法添加synchronized修飾符，以方法為單位進行加鎖，實現線程安全

	/**
     * 食物，對象
     */
    static class Food{
        private String name;
        private String taste;
        public synchronized void setNameAneTaste(String name,String taste){
            this.name = name;
            try {
                Thread.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            this.taste = taste;
        }//end set
        public synchronized void get(){
            System.out.println("服務員端走的菜的名稱是：" + this.name + " 味道：" + this.taste);
        }
    }//end food

輸出結果：

由輸出可見，又出現瞭新的問題：
雖然加入瞭線程安全，set和get方法不再像前面一樣同時執行並且菜名和味道一一對應，但是set和get方法並沒有交替執行（通俗地講，不是廚師一做完服務員就端走），而是無序地執行（廚師有可能做完之後繼續做，做好幾道，服務員端好幾次…無規律地做和端）

…
服務員端走的菜的名稱是：小米粥 味道：沒味道，不好吃
服務員端走的菜的名稱是：小米粥 味道：沒味道，不好吃
服務員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷 味道：甜辣味
服務員端走的菜的名稱是：小米粥 味道：沒味道，不好吃
服務員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷 味道：甜辣味
服務員端走的菜的名稱是：小米粥 味道：沒味道，不好吃
服務員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷 味道：甜辣味
服務員端走的菜的名稱是：小米粥 味道：沒味道，不好吃
服務員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷 味道：甜辣味
服務員端走的菜的名稱是：小米粥 味道：沒味道，不好吃
服務員端走的菜的名稱是：小米粥 味道：沒味道，不好吃
服務員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷 味道：甜辣味
服務員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷 味道：甜辣味
服務員端走的菜的名稱是：小米粥 味道：沒味道，不好吃
服務員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷 味道：甜辣味
服務員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷 味道：甜辣味
服務員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷 味道：甜辣味
服務員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷 味道：甜辣味
服務員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷 味道：甜辣味
服務員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷 味道：甜辣味
…

實現生產者與消費者問題

由上面可知，加入線程安全依舊無法實現該問題。因此，要解決該問題，回到前面的引入部分，嚴格按照生產者與消費者問題中所說地去編寫程序

生產者與消費者問題：
生產者和消費者為兩個線程，兩個線程在運行過程中交替睡眠，生產者在生產時消費者沒有在消費，消費者在消費時生產者沒有在生產，確保數據安全
↓
廚師在生產食品（廚師線程運行）的過程中，服務員應當等待（服務員線程睡眠），等到食品生產完成（廚師線程結束）後將食品放入盤子中，服務員將盤子端出去（服務員線程運行），此時沒有盤子可以放食品，因此廚師休息（廚師線程休眠），一段時間過後服務員將盤子拿回來（服務員線程結束），廚師開始進行生產食品（廚師線程運行），服務員在一旁等待（服務員線程睡眠）…
↓
在此過程中，廚師和服務員兩個線程交替睡眠，廚師在做飯時服務員沒有端盤子（廚師線程運行時服務員線程睡眠），服務員在端盤子時廚師沒有在做飯（服務員線程運行時廚師線程睡眠），確保數據的安全

需要用到的java.lang.Object 中的方法：

變量和類型 方法 描述
void notify() 喚醒當前this下的單個線程
void notifyAll() 喚醒當前this下的所有線程
void wait() 當前線程休眠
void wait​(long timeoutMillis) 當前線程休眠一段時間
void wait​(long timeoutMillis, int nanos) 當前線程休眠一段時間
  • 首先在Food類中加一個標記flag：

True表示廚師生產，服務員休眠

False表示服務員端菜，廚師休眠

private boolean flag = true;

對set方法進行修改

當且僅當flag為True（True表示廚師生產，服務員休眠）時，才能進行做菜操作

做菜結束時，將flag置為False（False表示服務員端菜，廚師休眠），這樣廚師在生產完之後不會繼續生產，避免瞭廚師兩次生產、服務員端走一份的情況

然後喚醒在當前this下休眠的所有進程，而廚師線程進行休眠

		public synchronized void setNameAneTaste(String name,String taste){
            if(flag){//當標記為true時，表示廚師可以生產，該方法才執行
                this.name = name;
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                this.taste = taste;
                flag = false;//生產完之後，標記置為false，這樣廚師在生產完之後不會繼續生產，避免瞭廚師兩次生產、服務員端走一份的情況
                this.notifyAll();//喚醒在當前this下休眠的所有進程
                try {
                    this.wait();//此時廚師線程進行休眠
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }//end set
  • 對get方法進行修改

當且僅當flag為False（False表示服務員端菜，廚師休眠）時，才能進行端菜操作

端菜結束時，將flag置為True（True表示廚師生產，服務員休眠），這樣服務員在端完菜之後不會繼續端菜，避免瞭服務員兩次端菜、廚師生產一份的情況

然後喚醒在當前this下休眠的所有進程，而服務員線程進行休眠

        public synchronized void get(){
            if(!flag){//廚師休眠的時候，服務員開始端菜
                System.out.println("服務員端走的菜的名稱是：" + this.name + " 味道：" + this.taste);
                flag = true;//端完之後，標記置為true，這樣服務員在端完菜之後不會繼續端菜，避免瞭服務員兩次端菜、廚師隻生產一份的情況
                this.notifyAll();//喚醒在當前this下休眠的所有進程
                try {
                    this.wait();//此時服務員線程進行休眠
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }// end if
        }//end get

作瞭以上調整之後的程序輸出：

我們可以看到，沒有出現數據錯亂，並且菜的順序是交替依次進行的

…
服務員端走的菜的名稱是：小米粥 味道：沒味道，不好吃
服務員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷 味道：甜辣味
服務員端走的菜的名稱是：小米粥 味道：沒味道，不好吃
服務員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷 味道：甜辣味
服務員端走的菜的名稱是：小米粥 味道：沒味道，不好吃
服務員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷 味道：甜辣味
服務員端走的菜的名稱是：小米粥 味道：沒味道，不好吃
服務員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷 味道：甜辣味
服務員端走的菜的名稱是：小米粥 味道：沒味道，不好吃
服務員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷 味道：甜辣味
服務員端走的菜的名稱是：小米粥 味道：沒味道，不好吃
服務員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷 味道：甜辣味
…

這就是生產者與消費者問題的一個典型例子

總結

本篇文章就到這裡瞭，希望能給你帶來幫助，也希望您能夠多多關註WalkonNet的更多內容！

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