Java wait()和notify()实现生产者消费者模式（附带实例）

生产者与消费者模式是一个十分经典的多线程并发协作的模式。如下图所示：

图 1 生产者与消费者模式

所谓生产者与消费者模式，指的是两类线程，一类是用于生产数据的生产者线程，另一类是用于消费数据的消费者线程。在程序开发设计过程中，通常会采用数据共享的方式，解耦生产者和消费者的关系。

生产者生产数据后，只需将其放置在数据共享的区域中，并不需要关心消费者的行为。消费者只需从数据共享的区域中获取数据，并不需要关心生产者的行为。

在实现生产者与消费者模式时，可以采用如下 3 种方式：

使用 Object 的 wait() 方法和 notify() 方法实现消息通知机制；
使用 Lock 的 Condition 的 await() 方法和 signal() 方法实现消息通知机制；
使用 BlockingQueue 实现消息通知机制。

下面将使用 Object 的 wait() 方法和 notify() 方法实现生产者与消费者模式。

Java wait()方法和notify()方法

在线程中调用 Object 的 wait() 方法时，将阻塞当前线程，并且释放锁，直至等到其他线程调用了 notify() 方法或者 notifyAll() 方法后，当前线程才能被唤醒，继续执行下面的操作。

Object 的 notify() 方法用于唤醒正在处于等待状态的线程，这使得该线程从等待队列中移入同步队列中，等待下一次能够获取到对象监视器锁的机会。

notifyAll() 方法用于唤醒全部正在处于等待状态的线程，与 notify() 方法的作用大致相同。

【实例】使用 Object 的相关方法实现生产者与消费者模式。创建一个工厂类 ProductFactory，该类包含两个方法，分别是 produce() 生产方法和 consume() 消费方法：

对于 produce() 方法，当没有库存或者库存达到 5 时，停止生产，为了更便于观察结果，每生产一件产品，让当前线程休眠 1000 毫秒；
对于 consume() 方法，只要有库存就进行消费，为了更便于观察结果，每消费一件产品，让当前线程休眠 1000 毫秒。库存使用 LinkedList 进行实现，此时 LinkedList 即共享数据内存。

创建一个 Producer 生产者类，用于调用 ProductFactory 的 produce() 方法，生产过程中，要对每个产品从 0 开始进行编号；创建一个 Consumer 消费者类，用于调用 ProductFactory 的 consume() 方法；创建一个 Demo 类，在 main() 函数中创建 1 个生产者和 2 个消费者，运行程序并观察结果。代码如下：

import java.util.LinkedList;

class ProductFactory {
    private LinkedList<String> products; // 定义存储已经生产的产品的集合
    private int stockNums = 5; // 定义最大库存 5 个

    public ProductFactory() {
        products = new LinkedList<String>();
    }

    public synchronized void produce(String product) { // 创建生产方法
        while (stockNums == products.size()) { // 如果库存达到 5 个，则停止生产
            try {
                System.out.println("警告：线程(" + Thread.currentThread().getName() + ")准备生产产品，但产品池已满");
                wait(); // 库存达到 5 个，生产线程进入等待状态
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        products.add(product); // 如果库存没有到达 5 个，则添加产品
        try {
            Thread.sleep(1000); // 每生产一件产品，让生产者线程休眠 1000 毫秒
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("线程(" + Thread.currentThread().getName() + ")生产了一件产品；当前剩余商品*" + products.size() + "*个");
        notify(); // 生产了产品，把消费者线程从等待状态中唤醒以进行消费
    }

    public synchronized String consume() { // 创建消费方法
        while (products.size() == 0) { // 根据需求：没有库存消费者进入等待状态
            try {
                System.out.println("警告：线程(" + Thread.currentThread().getName() + ")准备消费产品，但当前没有产品");
                wait(); // 库存为 0，无法消费，消费线程进入等待状态，等待生产者线程唤醒
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        String product = products.remove(0); // 如果有库存，则消费，并移除消费掉的产品
        try {
            Thread.sleep(1000); // 每消费一件产品，让消费者线程休眠 1000 毫秒
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("线程(" + Thread.currentThread().getName() + ")消费了一件产品；当前剩余商品*" + products.size() + "*个");
        notify(); // 通知生产者继续生产
        return product;
    }
}

class Producer implements Runnable { // 生产者线程类
    private ProductFactory productFactory; // 关联工厂类

    public Producer(ProductFactory productFactory) {
        this.productFactory = productFactory;
    }

    public void run() {
        int i = 0;
        while (true) {
            productFactory.produce(String.valueOf(i)); // 调用 productFactory 的 produce() 方法
            i++;
        }
    }
}

class Consumer implements Runnable { // 消费者线程类
    private ProductFactory productFactory; // 关联工厂类

    public Consumer(ProductFactory productFactory) {
        this.productFactory = productFactory;
    }

    public void run() {
        while (true) {
            productFactory.consume(); // 调用 productFactory 的 consume() 方法
        }
    }
}

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        ProductFactory productFactory = new ProductFactory();
        new Thread(new Producer(productFactory), "生产者").start();
        new Thread(new Consumer(productFactory), "消费者_1").start();
        new Thread(new Consumer(productFactory), "消费者_2").start();
    }
}

运行结果如下：

线程(生产者)生产了一件产品；当前剩余商品1个
线程(生产者)生产了一件产品；当前剩余商品2个
线程(消费者_2)消费了一件产品；当前剩余商品1个
线程(消费者_2)消费了一件产品；当前剩余商品0个
警告：线程(消费者_2)准备消费产品，但当前没有产品
警告：线程(消费者_1)准备消费产品，但当前没有产品
线程(生产者)生产了一件产品；当前剩余商品1个
线程(消费者_2)消费了一件产品；当前剩余商品0个
警告：线程(消费者_2)准备消费产品，但当前没有产品
警告：线程(消费者_1)准备消费产品，但当前没有产品
线程(生产者)生产了一件产品；当前剩余商品1个
线程(生产者)生产了一件产品；当前剩余商品2个
线程(消费者_2)消费了一件产品；当前剩余商品1个
线程(消费者_2)消费了一件产品；当前剩余商品0个
警告：线程(消费者_2)准备消费产品，但当前没有产品
线程(生产者)生产了一件产品；当前剩余商品1个
线程(生产者)生产了一件产品；当前剩余商品2个
线程(生产者)生产了一件产品；当前剩余商品3个
线程(生产者)生产了一件产品；当前剩余商品4个
线程(生产者)生产了一件产品；当前剩余商品5个
警告：线程(生产者)准备生产产品，但产品池已满
线程(消费者_1)消费了一件产品；当前剩余商品4个
……

从运行结果来看，生产者线程和消费者线程合作无间。当仓库没有产品时，消费者线程进入等待；当仓库产品达到最大库存（5个）时，生产者线程进入等待。这就是经典的生产者与消费者模式。

Java wait()和notify()实现生产者消费者模式（附带实例）

Java wait()方法和notify()方法

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