Java await()和signal()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 Lock 的 Condition 的 await() 方法和 signal() 方法实现生产者与消费者模式。Condition 接口提供了类似 Object 的监视器方法，与 Lock 配合可以实现消息通知机制。

在 Condition 接口中，能够找到 Obejct 类的 wait()、notify()、notifyAll() 方法的替代方法。Condition 接口的语法格式如下：

public interface Condition {
    void await() throws InterruptedException;
    long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException;
    boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException;
    boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException;
    void signal();
    void signalAll();
}

方法说明：

void await() throws InterruptedException：当前线程进入等待状态，直到被其他线程唤醒或者被中断；
long awaitNanos(long nanosTimeout) throws InterruptedException：当前线程进入等待状态，直到被其他线程唤醒或者被中断，抑或是处于等待状态一段时间后结束。nanosTimeout 为超时时间，返回值是超时时间减去实际消耗时间的结果；
boolean await(long time, TimeUnit unit) throws InterruptedException：当前线程进入等待状态，直到被其他线程唤醒或者被中断，抑或是处于等待状态一段时间后结束。与上个方法的区别在于其可以设置时间，未超时被唤醒返回 true，超时则返回 false；
boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException：当前线程进入等待状态，直到被其他线程唤醒或者被中断，抑或是处于等待状态一段时间后结束。如果当前线程在截止时间结束前被唤醒，则返回 true，否则返回 false；
void signal()：唤醒一个线程；
void signalAll()：唤醒所有线程。

Condition 对象是由 Lock 对象调用 newCondition() 方法创建的（即 Lock.newCondition()）。也就是说，Condition 是依赖 Lock 对象的。创建 Condition 对象的代码如下：

Lock lock = new ReentrantLock();
Condition condition = lock.newCondition();

【实例】使用 Condition 的相关方法实现生产者与消费者模式。

import java.util.LinkedList;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

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
    private Lock lock = new ReentrantLock(false);
    private Condition p = lock.newCondition(); // 与生产者线程对应的 Condition 对象
    private Condition c = lock.newCondition(); // 与消费者线程对应的 Condition 对象

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

    public void produce(String product) { // 创建生产方法
        try {
            lock.lock();
            while (stockNums == products.size()) { // 如果库存达到 5 个，停止生产
                System.out.println("警告：线程(" + Thread.currentThread().getName() +
                        ")准备生产产品，但产品池已满");
                p.await(); // 库存达到 5 个，生产线程进入等待状态
            }
            products.add(product); // 如果库存没有达到 5 个，则添加产品
            System.out.println("线程(" + Thread.currentThread().getName() + ")生产了一件产品；当前剩余商品" + products.size() + "个");
            c.signalAll(); // 消费者线程从等待状态中唤醒
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public String consume() { // 创建消费方法
        try {
            lock.lock();
            while (products.size() == 0) { // 根据需求：没有库存消费者进入等待状态
                System.out.println("警告：线程(" + Thread.currentThread().getName() + ")准备消费产品，但当前没有产品");
                c.await(); // 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
            }
            String product = products.remove(0); // 如果有库存，则消费，并移除消费掉的产品
            System.out.println("线程(" + Thread.currentThread().getName() + ")消费了一件产品；当前剩余商品" + products.size() + "个");
            p.signalAll(); // 通知生产者继续生产
            return product;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
        return null;
    }
}

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
            try {
                Thread.sleep(1000); // 每生产一件产品，让生产者线程休眠 1000 毫秒
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
            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
            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();
            }
        }
    }
}

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(消费者_1)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(消费者_1)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_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_1)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_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_1)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
……

Java await()和signal()实现生产者消费者模式（附带实例）

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