Java多線程通信問題深入了解

更新時(shí)間：2021年07月29日 11:46:52 作者：入錯(cuò)行的北北

下面小編就為大家?guī)硪黄钊肜斫釰AVA多線程之線程間的通信方式。小編覺得挺不錯(cuò)的，現(xiàn)在分享給大家，也給大家做個(gè)參考。一起跟隨小編過來看看吧

概述

多線程通信問題，也就是生產(chǎn)者與消費(fèi)者問題

生產(chǎn)者和消費(fèi)者為兩個(gè)線程，兩個(gè)線程在運(yùn)行過程中交替睡眠，生產(chǎn)者在生產(chǎn)時(shí)消費(fèi)者沒有在消費(fèi)，消費(fèi)者在消費(fèi)時(shí)生產(chǎn)者沒有在生產(chǎn)，確保數(shù)據(jù)安全

以下為百度百科對(duì)于該問題的解釋：

生產(chǎn)者與消費(fèi)者問題：
生產(chǎn)者消費(fèi)者問題（Producer-consumer problem），也稱有限緩沖問題（Bounded-buffer problem），是一個(gè)多線程同步問題的經(jīng)典案例。該問題描述了兩個(gè)共享固定大小緩沖區(qū)的線程——即所謂的“生產(chǎn)者”和“消費(fèi)者”——在實(shí)際運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生的問題。生產(chǎn)者的主要作用是生成一定量的數(shù)據(jù)放到緩沖區(qū)中，然后重復(fù)此過程。與此同時(shí)，消費(fèi)者也在緩沖區(qū)消耗這些數(shù)據(jù)。該問題的關(guān)鍵就是要保證生產(chǎn)者不會(huì)在緩沖區(qū)滿時(shí)加入數(shù)據(jù)，消費(fèi)者也不會(huì)在緩沖區(qū)中空時(shí)消耗數(shù)據(jù)。

解決辦法：
要解決該問題，就必須讓生產(chǎn)者在緩沖區(qū)滿時(shí)休眠（要么干脆就放棄數(shù)據(jù)），等到下次消費(fèi)者消耗緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)的時(shí)候，生產(chǎn)者才能被喚醒，開始往緩沖區(qū)添加數(shù)據(jù)。同樣，也可以讓消費(fèi)者在緩沖區(qū)空時(shí)進(jìn)入休眠，等到生產(chǎn)者往緩沖區(qū)添加數(shù)據(jù)之后，再喚醒消費(fèi)者。通常采用進(jìn)程間通信的方法解決該問題，常用的方法有信號(hào)燈法等。如果解決方法不夠完善，則容易出現(xiàn)死鎖的情況。出現(xiàn)死鎖時(shí)，兩個(gè)線程都會(huì)陷入休眠，等待對(duì)方喚醒自己。該問題也能被推廣到多個(gè)生產(chǎn)者和消費(fèi)者的情形。

引入

該過程可以類比為一個(gè)栗子：

廚師為生產(chǎn)者，服務(wù)員為消費(fèi)者，假設(shè)只有一個(gè)盤子盛放食品。

廚師在生產(chǎn)食品（廚師線程運(yùn)行）的過程中，服務(wù)員應(yīng)當(dāng)?shù)却ǚ?wù)員線程睡眠），等到食品生產(chǎn)完成（廚師線程結(jié)束）后將食品放入盤子中，服務(wù)員將盤子端出去（服務(wù)員線程運(yùn)行），此時(shí)沒有盤子可以放食品，因此廚師休息（廚師線程休眠），一段時(shí)間過后服務(wù)員將盤子拿回來（服務(wù)員線程結(jié)束），廚師開始進(jìn)行生產(chǎn)食品（廚師線程運(yùn)行），服務(wù)員在一旁等待（服務(wù)員線程睡眠）…

在此過程中，廚師和服務(wù)員兩個(gè)線程交替睡眠，廚師在做飯時(shí)服務(wù)員沒有端盤子（廚師線程運(yùn)行時(shí)服務(wù)員線程睡眠），服務(wù)員在端盤子時(shí)廚師沒有在做飯（服務(wù)員線程運(yùn)行時(shí)廚師線程睡眠），確保了數(shù)據(jù)的安全

根據(jù)廚師和服務(wù)員這個(gè)栗子，我們可以通過代碼來一步步實(shí)現(xiàn)

定義廚師線程

 /**
     * 廚師，是一個(gè)線程
     */
    static class Cook extends Thread{
        private Food f;
        public Cook(Food f){
            this.f = f;
        }
        //運(yùn)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(wù)員線程

/**
     * 服務(wù)員，是一個(gè)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(duì)象
     */
    static class Food{
        private String name;
        private String taste;
        public void setNameAneTaste(String name,String taste){
            this.name = name;
            //加了這段之后，有可能這個(gè)地方的時(shí)間片更有可能被搶走，從而執(zhí)行不了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(wù)員端走的菜的名稱是：" + this.name + " 味道：" + this.taste);
        }
    }//end food

main方法中去調(diào)用兩個(gè)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(wù)生線程     
    }

運(yùn)行結(jié)果：

只截取了一部分，我們可以看到，“小米粥”并沒有每次都對(duì)應(yīng)“沒味道，不好吃”，“老北京雞肉卷”也沒有每次都對(duì)應(yīng)“甜辣味”，而是一種錯(cuò)亂的對(duì)應(yīng)關(guān)系

...
服務(wù)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(wù)員端走的菜的名稱是：小米粥味道：甜辣味
服務(wù)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(wù)員端走的菜的名稱是：小米粥味道：甜辣味
服務(wù)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(wù)員端走的菜的名稱是：小米粥味道：甜辣味
服務(wù)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(wù)員端走的菜的名稱是：小米粥味道：甜辣味
服務(wù)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(wù)員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷味道：甜辣味
...

name和taste對(duì)應(yīng)錯(cuò)亂的原因：

當(dāng)廚師調(diào)用set方法時(shí)，剛設(shè)置完name，程序進(jìn)行了休眠，此時(shí)服務(wù)員可能已經(jīng)將食品端走了，而此時(shí)的taste是上一次運(yùn)行時(shí)保留的taste。

兩個(gè)線程一起運(yùn)行時(shí)，由于使用搶占式調(diào)度模式，沒有協(xié)調(diào)，因此出現(xiàn)了該現(xiàn)象

以上運(yùn)行結(jié)果解釋如圖：

在這里插入圖片描述

加入線程安全

針對(duì)上面的線程不安全問題，對(duì)廚師set和服務(wù)員get這兩個(gè)線程都使用synchronized關(guān)鍵字，實(shí)現(xiàn)線程安全，即：當(dāng)一個(gè)線程正在執(zhí)行時(shí)，另外的線程不會(huì)執(zhí)行，在后面排隊(duì)等待當(dāng)前的程序執(zhí)行完后再執(zhí)行

代碼如下所示，分別給兩個(gè)方法添加synchronized修飾符，以方法為單位進(jìn)行加鎖，實(shí)現(xiàn)線程安全

	/**
     * 食物，對(duì)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(wù)員端走的菜的名稱是：" + this.name + " 味道：" + this.taste);
        }
    }//end food

輸出結(jié)果：

由輸出可見，又出現(xiàn)了新的問題：
雖然加入了線程安全，set和get方法不再像前面一樣同時(shí)執(zhí)行并且菜名和味道一一對(duì)應(yīng)，但是set和get方法并沒有交替執(zhí)行（通俗地講，不是廚師一做完服務(wù)員就端走），而是無序地執(zhí)行（廚師有可能做完之后繼續(xù)做，做好幾道，服務(wù)員端好幾次…無規(guī)律地做和端）

...
服務(wù)員端走的菜的名稱是：小米粥味道：沒味道，不好吃
服務(wù)員端走的菜的名稱是：小米粥味道：沒味道，不好吃
服務(wù)員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷味道：甜辣味
服務(wù)員端走的菜的名稱是：小米粥味道：沒味道，不好吃
服務(wù)員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷味道：甜辣味
服務(wù)員端走的菜的名稱是：小米粥味道：沒味道，不好吃
服務(wù)員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷味道：甜辣味
服務(wù)員端走的菜的名稱是：小米粥味道：沒味道，不好吃
服務(wù)員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷味道：甜辣味
服務(wù)員端走的菜的名稱是：小米粥味道：沒味道，不好吃
服務(wù)員端走的菜的名稱是：小米粥味道：沒味道，不好吃
服務(wù)員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷味道：甜辣味
服務(wù)員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷味道：甜辣味
服務(wù)員端走的菜的名稱是：小米粥味道：沒味道，不好吃
服務(wù)員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷味道：甜辣味
服務(wù)員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷味道：甜辣味
服務(wù)員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷味道：甜辣味
服務(wù)員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷味道：甜辣味
服務(wù)員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷味道：甜辣味
服務(wù)員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷味道：甜辣味
...

實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者與消費(fèi)者問題

由上面可知，加入線程安全依舊無法實(shí)現(xiàn)該問題。因此，要解決該問題，回到前面的引入部分，嚴(yán)格按照生產(chǎn)者與消費(fèi)者問題中所說地去編寫程序

生產(chǎn)者與消費(fèi)者問題：
生產(chǎn)者和消費(fèi)者為兩個(gè)線程，兩個(gè)線程在運(yùn)行過程中交替睡眠，生產(chǎn)者在生產(chǎn)時(shí)消費(fèi)者沒有在消費(fèi)，消費(fèi)者在消費(fèi)時(shí)生產(chǎn)者沒有在生產(chǎn)，確保數(shù)據(jù)安全
↓
廚師在生產(chǎn)食品（廚師線程運(yùn)行）的過程中，服務(wù)員應(yīng)當(dāng)?shù)却ǚ?wù)員線程睡眠），等到食品生產(chǎn)完成（廚師線程結(jié)束）后將食品放入盤子中，服務(wù)員將盤子端出去（服務(wù)員線程運(yùn)行），此時(shí)沒有盤子可以放食品，因此廚師休息（廚師線程休眠），一段時(shí)間過后服務(wù)員將盤子拿回來（服務(wù)員線程結(jié)束），廚師開始進(jìn)行生產(chǎn)食品（廚師線程運(yùn)行），服務(wù)員在一旁等待（服務(wù)員線程睡眠）…
↓
在此過程中，廚師和服務(wù)員兩個(gè)線程交替睡眠，廚師在做飯時(shí)服務(wù)員沒有端盤子（廚師線程運(yùn)行時(shí)服務(wù)員線程睡眠），服務(wù)員在端盤子時(shí)廚師沒有在做飯（服務(wù)員線程運(yùn)行時(shí)廚師線程睡眠），確保數(shù)據(jù)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(dāng)前this下的單個(gè)線程
void	notifyAll()	喚醒當(dāng)前this下的所有線程
void	wait()	當(dāng)前線程休眠
void	wait(long timeoutMillis)	當(dāng)前線程休眠一段時(shí)間
void	wait(long timeoutMillis, int nanos)	當(dāng)前線程休眠一段時(shí)間

首先在Food類中加一個(gè)標(biāo)記flag：

True表示廚師生產(chǎn)，服務(wù)員休眠

False表示服務(wù)員端菜，廚師休眠

private boolean flag = true;

對(duì)set方法進(jìn)行修改

當(dāng)且僅當(dāng)flag為True（True表示廚師生產(chǎn)，服務(wù)員休眠）時(shí)，才能進(jìn)行做菜操作

做菜結(jié)束時(shí)，將flag置為False（False表示服務(wù)員端菜，廚師休眠），這樣廚師在生產(chǎn)完之后不會(huì)繼續(xù)生產(chǎn)，避免了廚師兩次生產(chǎn)、服務(wù)員端走一份的情況

然后喚醒在當(dāng)前this下休眠的所有進(jìn)程，而廚師線程進(jìn)行休眠

		public synchronized void setNameAneTaste(String name,String taste){
            if(flag){//當(dāng)標(biāo)記為true時(shí)，表示廚師可以生產(chǎn)，該方法才執(zhí)行
                this.name = name;
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                this.taste = taste;
                flag = false;//生產(chǎn)完之后，標(biāo)記置為false，這樣廚師在生產(chǎn)完之后不會(huì)繼續(xù)生產(chǎn)，避免了廚師兩次生產(chǎn)、服務(wù)員端走一份的情況
                this.notifyAll();//喚醒在當(dāng)前this下休眠的所有進(jìn)程
                try {
                    this.wait();//此時(shí)廚師線程進(jìn)行休眠
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }//end set

對(duì)get方法進(jìn)行修改

當(dāng)且僅當(dāng)flag為False（False表示服務(wù)員端菜，廚師休眠）時(shí)，才能進(jìn)行端菜操作

端菜結(jié)束時(shí)，將flag置為True（True表示廚師生產(chǎn)，服務(wù)員休眠），這樣服務(wù)員在端完菜之后不會(huì)繼續(xù)端菜，避免了服務(wù)員兩次端菜、廚師生產(chǎn)一份的情況

然后喚醒在當(dāng)前this下休眠的所有進(jìn)程，而服務(wù)員線程進(jìn)行休眠

        public synchronized void get(){
            if(!flag){//廚師休眠的時(shí)候，服務(wù)員開始端菜
                System.out.println("服務(wù)員端走的菜的名稱是：" + this.name + " 味道：" + this.taste);
                flag = true;//端完之后，標(biāo)記置為true，這樣服務(wù)員在端完菜之后不會(huì)繼續(xù)端菜，避免了服務(wù)員兩次端菜、廚師只生產(chǎn)一份的情況
                this.notifyAll();//喚醒在當(dāng)前this下休眠的所有進(jìn)程
                try {
                    this.wait();//此時(shí)服務(wù)員線程進(jìn)行休眠
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }// end if
        }//end get

作了以上調(diào)整之后的程序輸出：

我們可以看到，沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)亂，并且菜的順序是交替依次進(jìn)行的

...
服務(wù)員端走的菜的名稱是：小米粥味道：沒味道，不好吃
服務(wù)員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷味道：甜辣味
服務(wù)員端走的菜的名稱是：小米粥味道：沒味道，不好吃
服務(wù)員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷味道：甜辣味
服務(wù)員端走的菜的名稱是：小米粥味道：沒味道，不好吃
服務(wù)員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷味道：甜辣味
服務(wù)員端走的菜的名稱是：小米粥味道：沒味道，不好吃
服務(wù)員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷味道：甜辣味
服務(wù)員端走的菜的名稱是：小米粥味道：沒味道，不好吃
服務(wù)員端走的菜的名稱是：老北京雞肉卷味道：甜辣味
服務(wù)員端走的菜的名稱是：小米粥味道：沒味道，不好吃
服務(wù)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(chǎn)者與消費(fèi)者問題的一個(gè)典型例子