【Java开发】JUC基础 05：线程通信/协作

1 生产者消费者问题

📌 线程通信应用的场景可以简单地描述为生产者和消费者问题

• 假设仓库中只能存放一件产品，生产者将生产出来的产品放入仓库，消费者将仓库中产品取走消费；

• 如果仓库中没有产品，则生产者将产品放入仓库，否则停止生产并等待，直到仓库中的产品被消费者取走为止；

• 如果仓库中放有产品，则消费者可以将产品取走消费，否则停止消费并等待，直到仓库中再次放入产品为止。

📌 这是一个线程同步问题，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

• 对于生产者，没有生产产品之前，要通知消费者等待，而生产了产品之后，又需要马上通知消费者消费；

• 对于消费者，在消费之后，要通知生产者已经结束消费，需要生产新的产品以供消费；

📢 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）！

2 线程通信

2.1 线程方法

方法名	作用
wait ()	表示线程一直等待，直到其他线程通知，与 sleep 不同会释放锁
wait (long timeOut)	指定等待的毫秒数
notify ()	唤醒一个处于等待状态的线程
notifyAll()	唤醒同一个对象所有的调用 wait()方法的线程，优先级高的优先调度

2.2 管程法

📌 要点

• 生产者：负责生产数据的模块（可能是方法，对象，线程，进程）

• 消费者：负责处理数据的模块（可能是方法，对象，线程，进程）

• 缓冲区：消费者不能直接使用生产者的数据，他们之间有个“缓冲区

📢 生产者将生产好的数据放入缓冲区，消费者从缓冲区拿出数据

📌 代码举例

//需要生产者、消费者、产品、缓冲区
public class TestPC {public static void main(String[] args) {SynContainer container = new SynContainer();new Productor(container).start();new Consumer(container).start();}}//产品-鸡
class Chicken{int id;public Chicken(int id){this.id = id;}
}//生产者
class Productor extends Thread{SynContainer container;public Productor(SynContainer container){this.container=container;}@Overridepublic void run() {for (int i = 1; i <= 10; i++) {container.pushTo(new Chicken(i));System.out.println("生产了第"+i+"只鸡");}}
}//消费者
class Consumer extends Thread{SynContainer container;public Consumer(SynContainer container){this.container=container;}@Overridepublic void run() {for (int i = 1; i <= 10; i++) {System.out.println("消费了第"+container.popTo().id+"只鸡，累积消费了第"+i+"只鸡");}}
}class SynContainer{/**定义一个容器的大小*/Chicken[] chickens = new Chicken[5];/** 容器计数器*/int count;//生产者想容器中放入产品public synchronized  void pushTo(Chicken chicken){//如果容器满了，就需要等待消费者消费if(chickens.length==count){//通知消费者消费try {this.wait();}catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}//如果没有满就丢入产品chickens[count]=chicken;count++;//通知消费者消费this.notifyAll();}//消费者从中取出产品public synchronized Chicken popTo(){//判断能否消费if(count==0){// 消费者等待生产者产出try {this.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}//如果可以消费count--;Chicken chicken = chickens[count];//吃完了通知生产者消费this.notifyAll();return chicken;}
}

控制台输出：

一开始两个线程都会进容器，不过消费者看到容器鸡的数量为0，就会等待；此时生产者进行生产，当容器满了后，生产者等待，通知消费者来消费，那么消费者进行消费，通知生产者可以继续生产...

📢 我把数量调小了，大家可以把数量增加，这样效果更显著。

2.3 信号灯法

简单来说，就是利用标识控制线程等待和唤醒，类似于信号灯，红灯性绿灯停。

public class TestPC2 {public static void main(String[] args) {TV tv = new TV();new Player(tv).start();new Watcher(tv).start();}
}//生产者--演员
class Player extends Thread{TV tv;public Player(TV tv){this.tv = tv;}@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 5; i++) {if (i%2==0){this.tv.play("电视节目："+i);}else {this.tv.play("电视广告："+i);}}}
}//消费者--观众
class Watcher extends Thread{TV tv;public Watcher(TV tv){this.tv = tv;}@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 5; i++) {this.tv.watch();}}
}//产品--节目
class TV{//演员表演，观众等待-T；观众观看，演员等待-FString show;boolean flag = true;//表演public synchronized void play(String show){if (!flag){try {this.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println("演员表演了"+show);//通知观众观看this.notifyAll();this.show = show;this.flag = !flag;}//表演public synchronized void watch(){if (flag){try {this.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println("观众观看了"+show);//通知演员表演this.notifyAll();this.flag = !flag;}
}

控制台输出：

📢 可以看到表演和观看严格按照顺序来了！

2.4 线程池

📌 要点

1. 背景：经常创建和销毁、使用量特别大的资源，比如并发情况下的线程，对性能影响很大。

2. 思路：提前创建好多个线程，放入线程池中，使用时直接获取，使用完放回池中。可以避免频繁创建销毁、实现重复利用。类似生活中的公共交通工具。

3. 好处：

• 提高响应速度（减少了创建新线程的时间）

• 降低资源消耗（重复利用线程池中线程，不需要每次都创建）

• 便于线程管理(corePoolSize：核心池的大小、maximumPoolSize：最大程数、keepAliveTime：线程没有任务时最多保持多长时间后会终止)

📌 线程池类

1. JDK 5.0起提供了线程池相关API： ExecutorService 和 Executors

2. ExecutorService：真正的线程池接口。常见子类ThreadPoolExecutor

• void execute(Runnable command)：执行任务/命令，没有返回值，一般用来执行Runnable

• <T> Future<T> submit(Callable<T> task)：执行任务，有返回值，一般又来执行Callable

• void shutdown()：关闭连接池

3. Executors：工具类、线程池的工厂类，用于创建并返回不同类型的线程池

📌 简单举例

public class TestPool {public static void main(String[] args) {//1.创建线程池ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(5);service.execute(new Mythread());service.execute(new Mythread());service.execute(new Mythread());service.execute(new Mythread());//2.关闭连接service.shutdown();}
}class Mythread implements Runnable{@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 2; i++) {System.out.println(Thread.currentThread().getName());}}
}

控制台输出：