Java并发编程之线程间通讯（下）-生产者与消费者

前文回顾

上一篇文章重点唠叨了java中协调线程间通信的wait/notify机制，它有力的保证了线程间通信的安全性以及便利性。本篇将介绍wait/notify机制的一个应用以及更多线程间通信的内容。

生产者-消费者模式

目光从厕所转到饭馆，一个饭馆里通常都有好多厨师以及好多服务员，这里我们把厨师称为生产者，把服务员称为消费者，厨师和服务员是不直接打交道的，而是在厨师做好菜之后放到窗口，服务员从窗口直接把菜端走给客人就好了，这样会极大的提升工作效率，因为省去了生产者和消费者之间的沟通成本。从java的角度看这个事情，每一个厨师就相当于一个生产者线程，每一个服务员都相当于一个消费者线程，而放菜的窗口就相当于一个缓冲队列，生产者线程不断把生产好的东西放到缓冲队列里，消费者线程不断从缓冲队列里取东西，画个图就像是这样：

现实中放菜的窗口能放的菜数量是有限的，我们假设这个窗口只能放5个菜。那么厨师在做完菜之后需要看一下窗口是不是满了，如果窗口已经满了的话，就在一旁抽根烟等待，直到有服务员来取菜的时候通知一下厨师窗口有了空闲，可以放菜了，这时厨师再把自己做的菜放到窗口上去炒下一个菜。从服务员的角度来说，如果窗口是空的，那么也去一旁抽根烟等待，直到有厨师把菜做好了放到窗口上，并且通知他们一下，然后再把菜端走。

我们先用java抽象一下菜：

public class Food {

    private static int counter = 0;

    private int i;  //代表生产的第几个菜

    public Food() {
        i = ++counter;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "第" + i + "个菜";
    }
}

每次创建Food对象，字段i的值都会加1，代表这是创建的第几道菜。

为了故事的顺利进行，我们首先定义一个工具类：

class SleepUtil {

    private static Random random = new Random();

    public static void randomSleep() {
        try {
            Thread.sleep(random.nextInt(1000));
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

SleepUtil的静态方法randomSleep代表当前线程随机休眠一秒内的时间。

然后我们再用java定义一下厨师：

public class Cook extends Thread {

    private Queue<Food> queue;

    public Cook(Queue<Food> queue, String name) {
        super(name);
        this.queue = queue;
    }

    @Override
    public void run() {

        while (true) {
            SleepUtil.randomSleep();    //模拟厨师炒菜时间

            Food food = new Food();
            System.out.println(getName() + " 生产了" + food);

            synchronized (queue) {
                while (queue.size() > 4) {
                    try {
                        System.out.println("队列元素超过5个，为：" + queue.size() + " " + getName() + "抽根烟等待中");
                        queue.wait();

                    } catch (InterruptedException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                }

                queue.add(food);
                queue.notifyAll();
            }
        }
    }
}

我们说每一个厨师Cook都是一个线程，内部维护了一个名叫queue的队列。在run方法中是一个死循环，代表不断的生产Food。他每生产一个Food后，都要判断queue队列中元素的个数是不是大于4，如果大于4的话，就调用queue.wait()等待，如果不大于4的话，就把创建号的Food对象放到queue队列中，由于可能多个线程同时访问queue的各个方法，所以对这段代码用queue对象来加锁保护。当向队列添加完刚创建的Food对象之后，就可以通知queue这个锁对象关联的等待队列中的服务员线程们可以继续端菜了。

然后我们再用java定义一下服务员：

class Waiter extends Thread {

    private Queue<Food> queue;

    public Waiter(Queue<Food> queue, String name) {
        super(name);
        this.queue = queue;
    }

    @Override
    public void run() {

        while (true) {

            Food food;
            synchronized (queue) {
                while (queue.size() < 1) {
                    try {
                        System.out.println("队列元素个数为： " + queue.size() + "，" + getName() + "抽根烟等待中");
                        queue.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        throw new RuntimeException(e);
                    }
                }

                food = queue.remove();
                System.out.println(getName() + " 获取到：" + food);
                queue.notifyAll();
            }

            SleepUtil.randomSleep();    //模拟服务员端菜时间
        }
    }
}

每个服务员也是一个线程，和厨师一样，都在内部维护了一个名叫queue的队列。在run方法中是一个死循环，代表不断的从队列中取走Food。每次在从queue队列中取Food对象的时候，都需要判断一下队列中的元素是否小于1，如果小于1的话，就调用queue.wait()等待，如果不小于1的话，也就是队列里有元素，就从队列里取走一个Food对象，并且通知与queue这个锁对象关联的等待队列中的厨师线程们可以继续向队列里放入Food对象了。

在厨师和服务员线程类都定义好了之后，我们再创建一个Restaurant类，来看看在餐馆里真实发生的事情：

public class Restaurant {

    public static void main(String[] args) {

        Queue<Food> queue = new LinkedList<>();
        new Cook(queue, "1号厨师").start();
        new Cook(queue, "2号厨师").start();
        new Cook(queue, "3号厨师").start();
        new Waiter(queue, "1号服务员").start();
        new Waiter(queue, "2号服务员").start();
        new Waiter(queue, "3号服务员").start();
    }
}

我们在Restaurant中安排了3个厨师和3个服务员，大家执行一下这个程序，会发现在如果厨师生产的过快，厨师就会等待，如果服务员端菜速度过快，服务员就会等待。但是整个过程厨师和服务员是没有任何关系的，它们是通过队列queue实现了所谓的解耦。

这个过程虽然不是很复杂，但是使用中还是需要注意一些问题：

• 我们这里的厨师和服务员使用同一个锁queue。

使用同一个锁是因为对queue的操作只能用同一个锁来保护，假设使用不同的锁，厨师线程调用queue.add方法，服务员线程调用queue.remove方法，这两个方法都不是原子操作，多线程并发执行的时候会出现不可预测的结果，所以我们使用同一个锁来保护对queue这个变量的操作，这一点我们在唠叨设计线程安全类的时候已经强调过了。

• 厨师和服务员线程使用同一个锁queue的后果就是厨师线程和服务员线程使用的是同一个等待队列。

但是同一时刻厨师线程和服务员线程不会同时在等待队列中，因为当厨师线程在wait的时候，队列里的元素肯定是5，此时服务员线程肯定是不会wait的，但是消费的过程是被锁对象queue保护的，所以在一个服务员线程消费了一个Food之后，就会调用notifyAll来唤醒等待队列中的厨师线程们；当消费者线程在wait的时候，队列里的元素肯定是0，此时厨师线程肯定是不会wait的，生产的过程是被锁对象queue保护的，所以在一个厨师线程生产了一个Food对象之后，就会调用notifyAll来唤醒等待队列中的服务员线程们。所以同一时刻厨师线程和服务员线程不会同时在等待队列中。

• 在生产和消费过程，我们都调用了SleepUtil.randomSleep();。

我们这里的生产者-消费者模型是把实际使用的场景进行了简化，真正的实际场景中生产过程和消费过程一般都会很耗时，这些耗时的操作最好不要放在同步代码块中，这样会造成别的线程的长时间阻塞。如果把生产过程和消费过程都放在同步代码块中，也就是说在一个厨师炒菜的同时不允许别的厨师炒菜，在一个服务员端菜的同时不允许别的程序员端菜，这个显然是不合理的，大家需要注意这一点。

以上就是wait/notify机制的一个现实应用：生产者-消费者模式的一个简介。

管道输入/输出流

还记得在唠叨I/O的时候提到的管道流么，这些管道流就是用于在不同线程之间的数据传输，一共有四种管道流：

• PipedInputStream：管道输入字节流
• PipedOutputStream：管道输出字节流
• PipedReader：管道输入字符流
• PipedWriter：管道输出字符流

字节流和字符流的用法是差不多的，我们下边以字节流为例来唠叨一下管道流的用法。

一个线程可以持有一个PipedInputStream对象，这个PipedInputStream对象在内部维护了一个字节数组，默认大小为1024字节。它并不能单独使用，需要与另一个线程持有的一个PipedOutputStream建立关联，PipedOutputStream往该字节数组中写数据，PipedInputStream从该字节数组中读数据，从而实现两个线程的通信。

PipedInputStream

先看一下它的几个构造方法：

它有一个特别重要的方法就是：

PipedOutputStream

看一下它的构造方法：

它也有一个连接到管道输入流的方法：

使用示例

管道流的通常使用场景就是一个线程持有一个PipedInputStream对象，另一个线程持有一个PipedOutputStream对象，然后把这两个输入输出管道流通过connect方法建立连接，此后从管道输出流写入的数据就可以通过管道输入流读出，从而实现了两个线程间的数据交换，也就是实现了线程间的通信：

public class PipedDemo {

    public static void main(String[] args){

        PipedInputStream in = new PipedInputStream();
        PipedOutputStream out = new PipedOutputStream();

        try {
            in.connect(out);    //将输入流和输出流建立关联
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }

        new ReadThread(in).start();
        new WriteThread(out).start();
    }
}

class ReadThread extends Thread {

    private PipedInputStream in;

    public ReadThread(PipedInputStream in) {
        this.in = in;
    }

    @Override
    public void run() {

        int i = 0;
        try {
            while ((i=in.read()) != -1) {   //从输入流读取数据
                System.out.println(i);
            }
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } finally {
            try {
                in.close();
            } catch (IOException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    }
}

class WriteThread extends Thread {

    private PipedOutputStream out;

    public WriteThread(PipedOutputStream out) {
        this.out = out;
    }

    @Override
    public void run() {
        byte[] bytes = {1, 2, 3, 4, 5};
        try {
            out.write(bytes);   //向输出流写入数据
            out.flush();
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } finally {
            try {
                out.close();
            } catch (IOException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }
    }
}

执行结果是：

1
2
3
4
5

join方法

我们前边说过这个方法，比如有代码是这样：

public static void main(String[] args) {

    Thread t = new Thread(new Runnable() {

        @Override
        public void run() {
            // ... 线程t执行的具体任务
        }
    }, "t");

    t.start();

    t.join();
    System.out.println("t线程执行完了，继续执行main线程");
}

在main线程中调用t.join()，代表main线程需要等待t线程执行完成后才能继续执行。也就是说，这个join方法可以协调各个线程之间的执行顺序。它的实现其实很简单：

public final synchronized void join() throws InterruptedException {
    while (isAlive()) {
        wait();
    }
}

需要注意的是，join方法是Thread类的成员方法。上边例子中在main线程中调用t.join()的意思就是，使用Thread对象t作为锁对象，如果t线程还活着，就调用wait()，把main线程放到与t对象关联的等待队列里，直到t线程执行结束，系统会主动调用一下t.notifyAll()，把与t对象关联的等待队列中的线程全部移出，从而main线程可以继续执行～

当然它还有两个指定等待时间的重载方法：

java线程的状态

java为了方便的管理线程，对底层的操作系统的线程状态做了一些抽象封装，定义了如下的线程状态：

需要注意的是：

• 对于在操作系统中线程的运行/就绪状态，java语言中统一用RUNNABLE状态来表示。
• 对于在操作系统中线程的阻塞状态，java语言中用BLOCKED、WAITING和TIME_WAITING这三个状态分别表示。
• 也就是对阻塞状态进行了进一步细分。对于因为获取不到锁而产生的阻塞称为BLOCKED状态，因为调用wait或者join方法而产生的阻塞称为WAITING状态，因为调用有超时时间的wait、join或者sleep方法而产生的在有限时间内阻塞称为TIME_WAITING状态。

大家可以通过这个图来详细的看一下各个状态之间的转换过程：

java这么划分线程的状态纯属于方便自己的管理，比如它会给在WAITING和TIMED_WAITING状态的线程分别建立不同的队列，来方便实施不同的恢复策略～所以大家也不用纠结为啥和操作系统中定义的不一样，其实操作系统中对各个状态的线程仍然有各种细分来方便管理，如果是你去设计一个语言或者一个操作系统，你也可以为了自己的方便来定义一下线程的各种状态。我们作为语言的使用者，首先还是把这些状态记住了再说哈?～

获取线程执行状态

java中定义了一个State枚举类型，来表示线程的状态：

public class Thread implements Runnable {
    // ... 为节省篇幅，省略其它方法和字段

    public enum State { 
        NEW, RUNNABLE, BLOCKED, WAITING, TIMED_WAITING, TERMINATED;
    }
}

然后又在Thread类里定义了一个成员方法：

public State getState() {
    //省略了具体的实现
}

我们可以通过这个getState方法来获取到对应的线程状态，下边来举个例子获取上边列举的6种状态，为了故事的顺利发展，我们先定义一个工具类：

public class LockUtil {

    public static void sleep(long mill) {
        try {
            Thread.sleep(mill);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    public static void wait(Object obj) {
        try {
            obj.wait();
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
}

因为每次调用sleep和wait操作的时候都会有InterruptedException的异常说明，我们都需要try...catch一下，会导致代码结构会很混乱，所以我们写了个工具类来把InterruptedException的异常转为运行时异常。注意，我们这里转为运行时异常只是为了代码结构清晰，真实情况需要认真处理InterruptedException的异常说明，具体怎么使用我们后边会详细唠叨。

然后接着写具体的获取状态的代码：

public class ThreadStateDemo {

    private static Object lock = new Object();  //锁对象

    public static void main(String[] args) {

        Thread t = new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {

                double d = 0.1;
                int i = 0;
                while (i++ < 100000) {  //模仿一个耗时操作
                    d = d*0.3d;
                }

                SleepUtil.sleep(2000L);    //休眠2秒钟
                synchronized (lock) {
                    LockUtil.wait(lock);
                }
                synchronized (lock) {   //尝试获取lock锁

                }
            }
        }, "t");

        System.out.println("初始状态：" + t.getState());
        t.start();
        System.out.println("运行一个耗时操作时的状态：" + t.getState());

        SleepUtil.sleep(1000L);

        System.out.println("休眠时的状态：" + t.getState());


        SleepUtil.sleep(2000L);

        System.out.println("wait的状态：" + t.getState());
        synchronized (lock) {
            lock.notifyAll();
        }
        System.out.println("被notify后的状态：" + t.getState());

        synchronized (lock) {
            SleepUtil.sleep(1000L); //调用sleep方法不会释放锁
            System.out.println("因为获取锁而阻塞的状态：" + t.getState());
        }
    }
}

我们在程序里用了一系列的sleep方法来控制程序的执行顺序，这只是为了简单的说明线程的各个状态的产生原因，在真实环境中是不允许使用sleep方法来控制线程间的执行顺序的，应该使用同步或者我们上边介绍的一系列线程通信的方式。这个程序的执行结果是：

初始状态：NEW
运行一个耗时操作时的状态：RUNNABLE
休眠时的状态：TIMED_WAITING
wait的状态：WAITING
被notify后的状态：BLOCKED
因为获取锁而阻塞的状态：TERMINATED
线程的各个状态都获取到了哈。

总结

1. 基于wait/notify机制的生产者-消费者模式很重要，务必认真看几遍～
2. 一个线程可以持有一个PipedInputStream对象，这个PipedInputStream对象在内部维护了一个字节数组，默认大小为1024字节。它并不能单独使用，需要与另一个线程持有的一个PipedOutputStream建立关联，PipedOutputStream往该字节数组中写数据，PipedInputStream从该字节数组中读数据，从而实现两个线程的通信。
3. 使用join方法可以实现一个线程在另一个线程执行完毕后才继续执行的功能。
4. java为了方便的管理线程，对底层的操作系统的线程状态做了一些抽象封装，定义了NEW、RUNNABLE、BLOCKED、WAITING、TIME_WAITING、TERMINATED这些线程状态，与操作系统中的线程有一些区别：

• 对于在操作系统中线程的运行/就绪状态，java语言中统一用RUNNABLE状态来表示。
• 对于在操作系统中线程的阻塞状态，java语言中用BLOCKED、WAITING和TIME_WAITING这三个状态分别表示。

题外话

写文章挺累的，有时候你觉得阅读挺流畅的，那其实是背后无数次修改的结果。如果你觉得不错请帮忙转发一下，万分感谢～