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Java多線程實現生產者消費者模式

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一、生產者消費者模式概述

生產者消費者模式是多線程編程中的經典問題之一，它的核心在於解決生產者與消費者的同步、通信和互斥問題。在這個問題中，一個或多個線程充當生產者的角色，生成一些產品，而另外一個或多個線程則充當消費者的角色，消費這些產品。

在這種情況下，生產者和消費者必須要匹配並能夠相互通信，而他們之間的同步有時應該受到限制，這才可能保證程序的正常運行。如果沒有正確地實現同步，可能會導致生產出來的產品被重複消費或者消費者嘗試消費還未生產出來的產品。

二、Java中的生產者消費者模式

在Java中，我們可以通過多線程技術實現生產者消費者模式。使用多線程技術可以更有效地將任務分配給不同的線程，使程序更高效地運行。

三、生產者消費者模式的實現

1. 生產者消費者模式的基本實現

下面是一個基本的Java程序，演示了如何使用多線程來實現生產者消費者模式：

public class ProducerConsumerExample {
    public static void main(String[] args) {
        Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();
        int maxSize = 10;
        Thread producer = new Producer(queue, maxSize, "Producer");
        Thread consumer = new Consumer(queue, "Consumer");
        producer.start();
        consumer.start();
    }
}

class Producer extends Thread {
    private Queue<Integer> queue;
    private int maxSize;
    private String name;

    public Producer(Queue<Integer> queue, int maxSize, String name) {
        this.queue = queue;
        this.maxSize = maxSize;
        this.name = name;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (queue) {
                while (queue.size() == maxSize) {
                    try {
                        System.out.println("Queue is full, " + name + " is waiting ...");
                        queue.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                int number = (int) (Math.random() * 100);
                System.out.println(name + " produced " + number);
                queue.add(number);
                queue.notifyAll();
            }
        }
    }
}

class Consumer extends Thread {
    private Queue<Integer> queue;
    private String name;

    public Consumer(Queue<Integer> queue, String name) {
        this.queue = queue;
        this.name = name;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            synchronized (queue) {
                while (queue.isEmpty()) {
                    try {
                        System.out.println("Queue is empty, " + name + " is waiting ...");
                        queue.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                int number = queue.poll();
                System.out.println(name + " consumed " + number);
                queue.notifyAll();
            }
        }
    }
}

在這個示例中，我們定義了一個Queue對象（用於存儲數字），一個Producer對象和一個Consumer對象。Producer和Consumer都是Thread的子類。

在Producer中，我們使用while循環來一直生成數字，並加到queue中。如果隊列已經滿了，線程則等待。在Consumer中，我們使用while循環一直從隊列中取出數字並消費。如果隊列為空，線程則等待。

2. 使用BlockingQueue實現生產者消費者模式

Java中提供了BlockingQueue來實現生產者消費者模式。使用BlockingQueue可以避免顯式地使用wait()和notify()方法，因為BlockingQueue內部已經實現了這些操作。

下面是使用BlockingQueue實現生產者消費者模式的示例代碼：

public class ProducerConsumerExample {
    public static void main(String[] args) {
        BlockingQueue<Integer> queue = new ArrayBlockingQueue<>(10);
        Thread producer = new Producer(queue, "Producer");
        Thread consumer = new Consumer(queue, "Consumer");
        producer.start();
        consumer.start();
    }
}

class Producer extends Thread {
    private BlockingQueue<Integer> queue;
    private String name;

    public Producer(BlockingQueue<Integer> queue, String name) {
        this.queue = queue;
        this.name = name;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                int number = (int) (Math.random() * 100);
                queue.put(number);
                System.out.println(name + " produced " + number);
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

class Consumer extends Thread {
    private BlockingQueue<Integer> queue;
    private String name;

    public Consumer(BlockingQueue<Integer> queue, String name) {
        this.queue = queue;
        this.name = name;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                int number = queue.take();
                System.out.println(name + " consumed " + number);
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

在這個示例中，我們使用BlockingQueue來實現生產者消費者模式。我們創建了一個ArrayBlockingQueue，這是一個由數組支持的有界阻塞隊列。當隊列為空時，take()操作會阻塞線程。當隊列滿時，put()操作也會阻塞線程。

3. 使用ReentrantLock和Condition實現生產者消費者模式

另外一種實現方式是使用ReentrantLock和Condition。在Java 5中引入的新特性，ReentrantLock是一種可重入的互斥鎖，它替代了synchronized關鍵字，Condition是一個條件對象，它替代了wait()和notify()方法。使用ReentrantLock和Condition可以實現更細粒度的加鎖操作，從而更好地控制線程並發。

下面是ReentrantLock和Condition實現生產者消費者模式的示例代碼：

public class ProducerConsumerExample {
    public static void main(String[] args) {
        Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();
        int maxSize = 10;
        ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        Condition condition = lock.newCondition();
        Thread producer = new Producer(queue, maxSize, "Producer", lock, condition);
        Thread consumer = new Consumer(queue, "Consumer", lock, condition);
        producer.start();
        consumer.start();
    }
}

class Producer extends Thread {
    private Queue<Integer> queue;
    private int maxSize;
    private String name;
    private ReentrantLock lock;
    private Condition condition;

    public Producer(Queue<Integer> queue, int maxSize, String name, ReentrantLock lock, Condition condition) {
        this.queue = queue;
        this.maxSize = maxSize;
        this.name = name;
        this.lock = lock;
        this.condition = condition;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            lock.lock();
            try {
                while (queue.size() == maxSize) {
                    System.out.println("Queue is full, " + name + " is waiting ...");
                    condition.await();
                }
                int number = (int) (Math.random() * 100);
                System.out.println(name + " produced " + number);
                queue.add(number);
                condition.signalAll();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

class Consumer extends Thread {
    private Queue<Integer> queue;
    private String name;
    private ReentrantLock lock;
    private Condition condition;

    public Consumer(Queue<Integer> queue, String name, ReentrantLock lock, Condition condition) {
        this.queue = queue;
        this.name = name;
        this.lock = lock;
        this.condition = condition;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            lock.lock();
            try {
                while (queue.isEmpty()) {
                    System.out.println("Queue is empty, " + name + " is waiting ...");
                    condition.await();
                }
                int number = queue.poll();
                System.out.println(name + " consumed " + number);
                condition.signalAll();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                lock.unlock();
            }
        }
    }
}

在這個示例中，我們創建了一個Queue對象、一個ReentrantLock對象和一個Condition對象。在Producer和Consumer中都使用了lock()方法獲取鎖。如果隊列已經滿了（在Producer中）或為空（在Consumer中），線程會調用await()方法等待。當新產品被生產出來或消費者取走一個產品時，線程會調用signalAll()方法進行喚醒。

四、總結

以上是Java中實現生產者消費者模式的三種方法，包括基本實現、BlockingQueue實現和ReentrantLock和Condition實現。每種方法都有自己的優點和適用場景，根據具體情況選擇合適的方法進行實現。

原創文章，作者：ITXO，如若轉載，請註明出處：https://www.506064.com/zh-hk/n/133743.html

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