《重学 Java 高并发》手写一个生产者消费者线程模型

《重学 Java 高并发》专栏特色：结合 10 余年的工作经验，在实践中提炼总结高并发经验，将理论落到实处，不仅助力面试，更是真正提高技能。

java 多线程是每一个 java 程序员必备的技能，但多线程对于初学者来说学起来比较困难，结合笔者多年的学习经验，能手写一个简单的生产者消费者模型，是深入了解多线程编程的前提条件。

在 java 中，线程与线程之间基本存在两种关系：

• 协作一个线程的驱动需要与另外一个线程合作，共同合作完成一件事情

• 竞争多个线程互斥，即多个线程只能串行执行。

本文想来和大家说说多个线程的协作，这个非常有助于理解 notify、wait 方法。

1、消费者/生产者场景

一个非常经典的场景：面包厂生产面包。

在一个面包厂，面包的仓库容积有限，生产工人可以继续生产面包的条件是仓库还有足够的空间，生产的面包是需要派送工人卖给顾客，派送工人要能派送面包的条件是仓库中有剩余的面包。

大概的场景到交付如下图所示：

2、代码实现

有了场景，接下来我们使用 java 写一个简易的生产者、消费者。

本示例中涉及到类主要如下图所示：

其类的职责说明如下：

• Bakery 面包厂仓库，主要用来存放面包。

• BreadWork 面包生产工人

• BreadConsume 面包消费工人

• Bread 面包

接下来将和大家一一展示代码，同时在介绍代码时将重点阐述线程合作时的一些重点知识，并将提出一个更高难度的思考题供大家挑战。

2.1 Bakery 核心实现

Bakery 是整个生产者、消费者模型的核心实现类，与多线程编程相关的核心要点也体现在该方法中，其整体代码如下：

其核心要点解释如下：

• Object bakeryLock 锁对象，主要是用来保护 List< Bread> 数据结构，众所周知，ArrayList 是多线程不安全的，也就是说多个线程对其进行访问，必须加锁，这里之所以单独创建一个对象，主要是想突出锁概念，在代码中，其实可以用 synchronized(breads) 来代替。

• put 方法该方法是被面包生产者调用，向面包厂中添加面包，但是面包厂的容量是有限的，即生产者不能一直往里面添加，即当达到最大容量后，需要阻止生产者继续往里面添加，故这里涉及到条件等待与 wait 方法，细细说明如下：

• 访问 breads 数据结构之前，先使用 synchronized 进行保护，即加锁。

• 如果仓库已满，需要调用锁对象的 wait 方法，调用锁对象的线程，也就是生产者线程会被阻塞，需要等待其他线程的唤醒，唤醒后才能继续执行后续代码。

• 如果仓库还有空间，则向仓库中添加一个面包，此时另外一个隐含的条件将满足：仓库中已经有面包了，而消费者可能会因为仓库中没有面包而阻塞，故这里需要调用锁对象的 notify 或 nofifyAll 方法，唤醒等待的消费者。

• get 方法该方法主要是被面包消费者调用，从面包中获取面包，但要能获取面包也是有条件的：仓库中存在面包，否则需要阻塞等待消费者创建面包，故这里的要点如下：

• 如果仓库中没有面包，调用锁对象的 wait 方法，则消费者线程将进入阻塞状态，其具体实现是消费者线程对象会放在锁对象的条件等待队列，将等待其他线程调用锁的 notify 或 notifyAll。

• 如果有面包，则从中消费一个面包，此时另外一个隐含的条件将满足：仓库中已经有新的空间存放新的面包，故此时应该调用锁对象的 notify 或 notifyAll，唤醒生产者。

请大家细品：notify,wait 方法是调用的锁对象，并不是生产者或消费者线程。 欢迎大家私信我，交流心得体会。

2.2 生产者/消费者代码实现

在该示例中生产者、消费者创建面包，并尝试存储在面包厂中，其代码示例如下：

消费者、生产者代码比较简单，就不做过多说明。

温馨提示：如果需要整套代码，可以私信我，回复 TCODE 即可获得。

2.3 运行效果与进阶

该示例的运行效果如下图所示：

上面的示例其实只是一个入门，重点是了解锁对象，线程之间如何通过 notify、wait 方法进行协同“作战”，有了上面的示例，我想将难度系数再次提高：

如果做到生产者、消费者交替运行，即生产者生产面包 1 号，需要等待消费者消费完面包 1 号后，生产者才能继续生产 2 号面包。

文章首发于https://www.codingw.net/posts/1919ae35.html

作者简介：丁威，《RocketMQ 技术内幕》一书作者、RocketMQ 开源社区优秀布道师，公众号「中间件兴趣圈」维护者，主打成体系剖析 Java 主流中间件，已发布 Kafka、RocketMQ、Dubbo、Sentinel、Canal、ElasticJob 等中间件 15 个专栏。