多线程环境下,我们经常需要多个线程的并发和协作。这个时候,就需要了解一个重要的多线程并发协作模型“生产者/消费者模式”。
什么是生产者?
生产者指的是负责生产数据的模块(这里模块可能是:方法、对象、线程、进程)。
什么是消费者?
消费者指的是负责处理数据的模块(这里模块可能是:方法、对象、线程、进程)。
什么是缓冲区?
消费者不能直接使用生产者的数据,它们之间有个“缓冲区”。生产者将生产好的数据放入“缓冲区”,消费者从“缓冲区”拿要处理的数据。
图11-17 生产者消费者示意图
缓冲区是实现并发的核心,缓冲区的设置有3个好处:
实现线程的并发协作
有了缓冲区以后,生产者线程只需要往缓冲区里面放置数据,而不需要管消费者消费的情况;同样,消费者只需要从缓冲区拿数据处理即可,也不需要管生产者生产的情况。 这样,就从逻辑上实现了“生产者线程”和“消费者线程”的分离。
解耦了生产者和消费者
生产者不需要和消费者直接打交道。
解决忙闲不均,提高效率
生产者生产数据慢时,缓冲区仍有数据,不影响消费者消费;消费者处理数据慢时,生产者仍然可以继续往缓冲区里面放置数据 。
生产者与消费者模式:
public class TestProduce { public static void main(String[] args) { SyncStack sStack = new SyncStack();// 定义缓冲区对象; Shengchan sc = new Shengchan(sStack);// 定义生产线程; Xiaofei xf = new Xiaofei(sStack);// 定义消费线程; sc.start(); xf.start(); } } class Mantou {// 馒头 int id; Mantou(int id) { this.id = id; } } class SyncStack {// 缓冲区(相当于:馒头筐) int index = 0; Mantou[] ms = new Mantou[10]; public synchronized void push(Mantou m) { while (index == ms.length) {//说明馒头筐满了 try { //wait后,线程会将持有的锁释放,进入阻塞状态; //这样其它需要锁的线程就可以获得锁; this.wait(); //这里的含义是执行此方法的线程暂停,进入阻塞状态, //等消费者消费了馒头后再生产。 } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } // 唤醒在当前对象等待池中等待的第一个线程。 //notifyAll叫醒所有在当前对象等待池中等待的所有线程。 this.notify(); // 如果不唤醒的话。以后这两个线程都会进入等待线程,没有人唤醒。 ms[index] = m; index++; } public synchronized Mantou pop() { while (index == 0) {//如果馒头筐是空的; try { //如果馒头筐是空的,就暂停此消费线程(因为没什么可消费的嘛)。 this.wait(); //等生产线程生产完再来消费; } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } this.notify(); index--; return ms[index]; } } class Shengchan extends Thread {// 生产者线程 SyncStack ss = null; public Shengchan(SyncStack ss) { this.ss = ss; } @Override public void run() { for (int i = 0; i < 10; i++) { System.out.println("生产馒头:" + i); Mantou m = new Mantou(i); ss.push(m); } } } class Xiaofei extends Thread {// 消费者线程; SyncStack ss = null; public Xiaofei(SyncStack ss) { this.ss = ss; } @Override public void run() { for (int i = 0; i < 10; i++) { Mantou m = ss.pop(); System.out.println("消费馒头:" + i); } } }
执行结果如图11-18所示:
线程并发协作总结:
线程并发协作(也叫线程通信),通常用于生产者/消费者模式,情景如下:
1. 生产者和消费者共享同一个资源,并且生产者和消费者之间相互依赖,互为条件。
2. 对于生产者,没有生产产品之前,消费者要进入等待状态。而生产了产品之后,又需要马上通知消费者消费。
3. 对于消费者,在消费之后,要通知生产者已经消费结束,需要继续生产新产品以供消费。
4. 在生产者消费者问题中,仅有synchronized是不够的。
· synchronized可阻止并发更新同一个共享资源,实现了同步;
· synchronized不能用来实现不同线程之间的消息传递(通信)。
5. 那线程是通过哪些方法来进行消息传递(通信)的呢?见如下总结:
6. 以上方法均是java.lang.Object类的方法;
都只能在同步方法或者同步代码块中使用,否则会抛出异常。
注:
在实际开发中,尤其是“架构设计”中,会大量使用这个模式。 对于初学者了解即可,如果晋升到中高级开发人员,这就是必须掌握的内容。
任务定时调度:
通过Timer和Timetask,我们可以实现定时启动某个线程。
java.util.Timer
在这种实现方式中,Timer类作用是类似闹钟的功能,也就是定时或者每隔一定时间触发一次线程。其实,Timer类本身实现的就是一个线程,只是这个线程是用来实现调用其它线程的。
java.util.TimerTask
TimerTask类是一个抽象类,该类实现了Runnable接口,所以该类具备多线程的能力。
在这种实现方式中,通过继承TimerTask使该类获得多线程的能力,将需要多线程执行的代码书写在run方法内部,然后通过Timer类启动线程的执行。
java.util.Timer的使用:
import java.util.Timer; import java.util.TimerTask; public class TestTimer { public static void main(String[] args) { Timer t1 = new Timer();//定义计时器; MyTask task1 = new MyTask();//定义任务; t1.schedule(task1,3000); //3秒后执行; //t1.schedule(task1,5000,1000);//5秒以后每隔1秒执行一次! //GregorianCalendar calendar1 = new GregorianCalendar(2010,0,5,14,36,57); //t1.schedule(task1,calendar1.getTime()); //指定时间定时执行; } } class MyTask extends TimerTask {//自定义线程类继承TimerTask类; public void run() { for(int i=0;i<10;i++){ System.out.println("任务1:"+i); } } }
执行结果如图所示:
运行以上程序时,可以感觉到在输出之前有明显的延迟(大概就是3秒!)。还有几个方法,我注释掉了,大家自己试试吧!
在实际使用时,一个Timer可以启动任意多个TimerTask实现的线程,但是多个线程之间会存在阻塞。所以如果多个线程之间需要完全独立的话,最好还是一个Timer启动一个TimerTask实现。
注:
实际开发中,我们可以使用开源框架quanz,更加方便的实现任务定时调度。实际上,quanz底层原理就是我们这里介绍的内容。