經(jīng)典面試題 -- 手寫生產(chǎn)者消費者模式

1. 引言

生產(chǎn)者、消費者模式是如此的重要，是理解java 多線程并發(fā)的核心知識點，不少同學(xué)面試時，常規(guī)操作是當(dāng)著面試官的面，手寫一個生產(chǎn)者消費者模式。

2. 實現(xiàn)方式

通常情況下，有5種方式來實現(xiàn)

1. synchronized + wait() + notify() 方式

2. 可重入鎖ReentrantLock （配合Condition）

3. BlockingQueue 阻塞隊列方式

4. 信號量Semaphore 方式

5. 管道輸入輸出流PipedInputStream和PipedOutputStream 方式

這里僅介紹，面試比較常見的 第2，第3種方式

3. 可重入鎖ReentrantLock 方式

3.1 可重入鎖概念：

ReentrantLock類實現(xiàn)Lock接口，并在方法訪問共享資源時為其提供同步。操作共享資源的代碼會鎖定當(dāng)前工作線程并阻止嘗試鎖定共享資源的所有其他線程。

顧名思義，ReentrantLock允許線程不止一次地鎖定資源。當(dāng)線程首次進入鎖定狀態(tài)時，保持計數(shù)(hold count)設(shè)置為1。解鎖之前，線程可以再次重新進入鎖定狀態(tài)，并且將計數(shù)增加1。
對于每個解鎖請求，保持計數(shù)減1，當(dāng)保持計數(shù)為0時，資源解鎖。
可重入鎖還提供公平參數(shù)，可以實現(xiàn)所謂公平鎖和非公平鎖。
1、公平鎖能：新老線程一律需要排隊使用鎖。
2、非公平鎖：老的線程排隊使用鎖；但是無法保證新線程搶占已經(jīng)在排隊的線程的鎖。

ReentrantLock 可重入鎖的方式，需要配合Condition使用，Condition 與Lock的主要區(qū)別在于是否能夠響應(yīng)中斷。

public class ProducerAndConsumerByLock {
    private static int count = 0;
    private int maxNum = 3;
    ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
    Condition producerCondition = lock.newCondition();
    Condition consumerCondition = lock.newCondition();

    public static void main(String[] args) {
        ProducerAndConsumerByLock test = new ProducerAndConsumerByLock();

        new Thread(test.new Producer()).start();
        new Thread(test.new Producer()).start();

        new Thread(test.new Consumer()).start();
        new Thread(test.new Consumer()).start();
    }

    class Producer implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                //獲取鎖
                lock.lock();
                try {
//                    while (getCount() == maxNum) {
//                        producerCondition.await();
//                        System.out.println("生產(chǎn)能力達到上限，進入等待狀態(tài)");
//                    }
                    count++;
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                            + "生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有" + count);
                    //喚醒消費者
                    consumerCondition.signal();
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    //獲取鎖
                    lock.unlock();
                }
            }
        }
    }

    class Consumer implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                try {
                    Thread.sleep(700);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                lock.lock();
                try {
//                    while (count == 0) {
//                        consumerCondition.await();
//                    }

                    count--;
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                            + "消費者消費，目前總共有" + count);
                    //喚醒生產(chǎn)者
                    producerCondition.signal();

                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    lock.unlock();
                }
            }
        }
    }
}

輸入結(jié)果：

Thread-1生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有1
Thread-0生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有2
Thread-2消費者消費，目前總共有1
Thread-3消費者消費，目前總共有0
Thread-0生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有1
Thread-1生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有2
Thread-3消費者消費，目前總共有1
Thread-2消費者消費，目前總共有0
Thread-1生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有1
Thread-0生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有2
Thread-1生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有3
Thread-0生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有4
Thread-3消費者消費，目前總共有3
Thread-2消費者消費，目前總共有2
Thread-1生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有3
Thread-0生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有4
Thread-3消費者消費，目前總共有3
Thread-2消費者消費，目前總共有2
Thread-1生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有3
Thread-0生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有4
Thread-2消費者消費，目前總共有3
Thread-1生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有4
Thread-3消費者消費，目前總共有3
Thread-0生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有4
Thread-0生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有5
Thread-1生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有6
Thread-3消費者消費，目前總共有5
Thread-2消費者消費，目前總共有4
Thread-0生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有5
Thread-1生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有6
Thread-3消費者消費，目前總共有5
Thread-2消費者消費，目前總共有4
Thread-0生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有5
Thread-1生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有6
Thread-2消費者消費，目前總共有5
Thread-3消費者消費，目前總共有4
Thread-3消費者消費，目前總共有3
Thread-2消費者消費，目前總共有2
Thread-3消費者消費，目前總共有1
Thread-2消費者消費，目前總共有0

Process finished with exit code 0

不少人使用注釋掉的while 語句來判斷當(dāng)前生成者產(chǎn)能是否已滿。 不過這種while循環(huán)本身也屬于一個獨立線程，會有沖突的可能，放在演示代碼里，輸出順序可能會混亂。
打開注釋后，輸出如下

Thread-0生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有1
Thread-1生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有2
Thread-2消費者消費，目前總共有1
Thread-3消費者消費，目前總共有0
Thread-1生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有1
Thread-0生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有2
Thread-3消費者消費，目前總共有1
Thread-2消費者消費，目前總共有0
Thread-1生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有1
Thread-0生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有2
Thread-1生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有3
Thread-2消費者消費，目前總共有2
Thread-3消費者消費，目前總共有1
生產(chǎn)能力達到上限，進入等待狀態(tài)
Thread-0生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有2
Thread-1生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有3
Thread-2消費者消費，目前總共有2
Thread-3消費者消費，目前總共有1
生產(chǎn)能力達到上限，進入等待狀態(tài)
Thread-0生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有2
Thread-1生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有3
Thread-2消費者消費，目前總共有2
Thread-3消費者消費，目前總共有1
生產(chǎn)能力達到上限，進入等待狀態(tài)
Thread-0生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有2
Thread-1生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有3
Thread-3消費者消費，目前總共有2
Thread-2消費者消費，目前總共有1
生產(chǎn)能力達到上限，進入等待狀態(tài)
Thread-0生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有2
生產(chǎn)能力達到上限，進入等待狀態(tài)
Thread-1生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有3
Thread-2消費者消費，目前總共有2
Thread-3消費者消費，目前總共有1
生產(chǎn)能力達到上限，進入等待狀態(tài)
Thread-0生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有2
生產(chǎn)能力達到上限，進入等待狀態(tài)
Thread-1生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有3
Thread-3消費者消費，目前總共有2
Thread-2消費者消費，目前總共有1
生產(chǎn)能力達到上限，進入等待狀態(tài)
Thread-0生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有2
生產(chǎn)能力達到上限，進入等待狀態(tài)
Thread-1生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有3
Thread-3消費者消費，目前總共有2
Thread-2消費者消費，目前總共有1
生產(chǎn)能力達到上限，進入等待狀態(tài)
Thread-0生產(chǎn)者生產(chǎn)，目前總共有2
Thread-3消費者消費，目前總共有1
Thread-2消費者消費，目前總共有0

Process finished with exit code 0

4. 阻塞隊列方式

主要是利用LinkedBlockingDeque 或者ArrayBlockingQueue 之類的阻塞隊列。
其take() 與 put() API 是阻塞性質(zhì)的。

public class ProducerAndConsumerByQueue {
    private BlockingQueue<Toy> blockingDeque = new LinkedBlockingDeque<>(10);

    public static void main(String[] args) {
        ProducerAndConsumerByQueue producerAndConsumer = new ProducerAndConsumerByQueue();

        new Thread(producerAndConsumer.new Producer()).start();
        new Thread(producerAndConsumer.new Consumer()).start();
    }

    class Producer implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10; i ++ ) {
                try {
                    Thread.sleep(200);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                Toy toy = new Toy(i + "");
                try {
                    blockingDeque.put(toy);
                    System.out.println( "生產(chǎn)者" + Thread.currentThread().getName() + " 生產(chǎn)玩具" + toy.getName());
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    class Consumer implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10; i ++ ) {
                try {
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                try {
                   Toy toy = blockingDeque.take();
                   System.out.println("消費者" + Thread.currentThread().getName() + " 消費玩具" + toy.getName());

                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

     class Toy {
        private String name;

        public Toy(String name) {
            this.name = name;
        }
        public String getName() {
            return "toy " + name;
        }
    }
}

輸出結(jié)果

生產(chǎn)者Thread-0 生產(chǎn)玩具toy 0
生產(chǎn)者Thread-0 生產(chǎn)玩具toy 1
消費者Thread-1 消費玩具toy 0
生產(chǎn)者Thread-0 生產(chǎn)玩具toy 2
生產(chǎn)者Thread-0 生產(chǎn)玩具toy 3
消費者Thread-1 消費玩具toy 1
生產(chǎn)者Thread-0 生產(chǎn)玩具toy 4
生產(chǎn)者Thread-0 生產(chǎn)玩具toy 5
生產(chǎn)者Thread-0 生產(chǎn)玩具toy 6
消費者Thread-1 消費玩具toy 2
生產(chǎn)者Thread-0 生產(chǎn)玩具toy 7
生產(chǎn)者Thread-0 生產(chǎn)玩具toy 8
消費者Thread-1 消費玩具toy 3
生產(chǎn)者Thread-0 生產(chǎn)玩具toy 9
消費者Thread-1 消費玩具toy 4
消費者Thread-1 消費玩具toy 5
消費者Thread-1 消費玩具toy 6
消費者Thread-1 消費玩具toy 7
消費者Thread-1 消費玩具toy 8
消費者Thread-1 消費玩具toy 9

Process finished with exit code 0
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