并发编程-弄懂生产者和消费者问题

生产者-消费者模式是一个十分经典的多线程并发协作的模式,弄懂生产者-消费者问题能够让我们对并发编程的理解加深。所谓生产者-消费者问题,实际上主要是包含了两类线程,一种是生产者线程用于生产数据,另一种是消费者线程用于消费数据,为了解耦生产者和消费者的关系,通常会有一个共享的数据区域,就像是一个仓库,生产者生产数据之后直接放置在共享数据区中,并不需要关心消费者的行为;而消费者只需要从共享数据区中去获取数据,就不再需要关心生产者的行为。

但是,这个共享数据区域中应该具备这样的线程间并发协作的功能:

  1. 如果共享数据区已满的话,阻塞生产者继续生产数据放置入内;
  2. 如果共享数据区为空的话,阻塞消费者继续消费数据;

在实现生产者消费者问题时,可以采用三种方式:

  • 使用Object的wait/notify的消息通知机制;
  • 使用Lock的Condition的await/signal的消息通知机制;
  • 使用BlockingQueue实现。

本文主要将这三种实现方式进行总结归纳。

wait/notify的消息通知机制

预备知识

Java 中,可以通过配合调用 Object 对象的 wait() 方法和 notify()方法或 notifyAll() 方法来实现线程间的通信。在线程中调用 wait() 方法,将阻塞当前线程,直至等到其他线程调用了 notify() 方法或 notifyAll() 方法进行通知之后,当前线程才能从wait()方法出返回,继续执行下面的操作。

  1. wait

    该方法用来将当前线程置入休眠状态,直到接到通知或被中断为止。在调用 wait()之前,线程必须要获得该对象的对象监视器锁,即只能在同步方法或同步块中调用 wait()方法。调用wait()方法之后,当前线程会释放锁。如果调用wait()方法时,线程并未获取到锁的话,则会抛出IllegalMonitorStateException异常,这是以个RuntimeException。如果再次获取到锁的话,当前线程才能从wait()方法处成功返回。

  2. notify

    该方法也要在同步方法或同步块中调用,即在调用前,线程也必须要获得该对象的对象级别锁,如果调用 notify()时没有持有适当的锁,也会抛出 IllegalMonitorStateException
    该方法任意从WAITTING状态的线程中挑选一个进行通知,使得调用wait()方法的线程从等待队列移入到同步队列中,等待有机会再一次获取到锁,从而使得调用wait()方法的线程能够从wait()方法处退出。调用notify后,当前线程不会马上释放该对象锁,要等到程序退出同步块后,当前线程才会释放锁。

  3. notifyAll
    该方法与 notify ()方法的工作方式相同,重要的一点差异是:
    notifyAll 使所有原来在该对象上 wait 的线程统统退出WAITTING状态,使得他们全部从等待队列中移入到同步队列中去,等待下一次能够有机会获取到对象监视器锁。

wait/notify消息通知潜在的一些问题

notify过早通知

notify 通知的遗漏很容易理解,即 threadA 还没开始 wait 的时候,threadB 已经 notify 了,这样,threadB 通知是没有任何响应的,当 threadB 退出 synchronized 代码块后,threadA 再开始 wait,便会一直阻塞等待,直到被别的线程打断。比如在下面的示例代码中,就模拟出notify早期通知带来的问题:

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public class EarlyNotifyDemo1 {

private static String lockObject = "";

public static void main(String[] args) {
WaitThread waitThread = new WaitThread(lockObject);
NotifyThread notifyThread = new NotifyThread(lockObject);
notifyThread.start();
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
waitThread.start();
}

static class WaitThread extends Thread {
private String lock;

public WaitThread(String lock) {
this.lock = lock;
}

@Override
public void run() {
synchronized (lock) {
try {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进去代码块");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 开始wait");
lock.wait();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 结束wait");
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}

static class NotifyThread extends Thread {
private String lock;

public NotifyThread(String lock) {
this.lock = lock;
}

@Override
public void run() {
synchronized (lock) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进去代码块");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 开始notify");
lock.notify();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 结束开始notify");
}
}
}
}

输出结果

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Thread-1  进去代码块
Thread-1 开始notify
Thread-1 结束开始notify
Thread-0 进去代码块
Thread-0 开始wait

示例中开启了两个线程,一个是WaitThread,另一个是NotifyThread。NotifyThread会先启动,先调用notify方法。然后WaitThread线程才启动,调用wait方法,但是由于通知过了,wait方法就无法再获取到相应的通知,因此WaitThread会一直在wait方法出阻塞,这种现象就是通知过早的现象。针对这种现象,解决方法,一般是添加一个状态标志,让waitThread调用wait方法前先判断状态是否已经改变了没,如果通知早已发出的话,WaitThread就不再去wait。对上面的代码进行更正:

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public class EarlyNotifyDemo2 {

private static String lockObject = "";
private static boolean isWait = true;

public static void main(String[] args) {
WaitThread waitThread = new WaitThread(lockObject);
NotifyThread notifyThread = new NotifyThread(lockObject);
notifyThread.start();
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
waitThread.start();
}

static class WaitThread extends Thread {
private String lock;

public WaitThread(String lock) {
this.lock = lock;
}

@Override
public void run() {
synchronized (lock) {
try {
while (isWait) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进去代码块");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 开始wait");
lock.wait();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 结束wait");
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}

static class NotifyThread extends Thread {
private String lock;

public NotifyThread(String lock) {
this.lock = lock;
}

@Override
public void run() {
synchronized (lock) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 进去代码块");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 开始notify");
lock.notifyAll();
isWait = false;
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 结束开始notify");
}
}
}
}

这段代码只是增加了一个isWait状态变量,NotifyThread调用notify方法后会对状态变量进行更新,在WaitThread中调用wait方法之前会先对状态变量进行判断,在该示例中,调用notify后将状态变量isWait改变为false,因此,在WaitThread中while对isWait判断后就不会执行wait方法,从而避免了Notify过早通知造成遗漏的情况。

总结:在使用线程的等待/通知机制时,一般都要配合一个 boolean 变量值(或者其他能够判断真假的条件),在 notify 之前改变该 boolean 变量的值,让 wait 返回后能够退出 while 循环(一般都要在 wait 方法外围加一层 while 循环,以防止早期通知),或在通知被遗漏后,不会被阻塞在 wait 方法处。这样便保证了程序的正确性

等待wait的条件发生变化

如果线程在等待时接受到了通知,但是之后等待的条件发生了变化,并没有再次对等待条件进行判断,也会导致程序出现错误。

下面用一个例子来说明这种情况

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public class ConditionChangeDemo1 {

private static List<String> lockObject = new ArrayList();

public static void main(String[] args) {
Consumer consumer1 = new Consumer(lockObject);
Consumer consumer2 = new Consumer(lockObject);
Productor productor = new Productor(lockObject);
consumer1.start();
consumer2.start();
productor.start();
}


static class Consumer extends Thread {
private List<String> lock;

public Consumer(List lock) {
this.lock = lock;
}

@Override
public void run() {
synchronized (lock) {
try {
//这里使用if的话,就会存在wait条件变化造成程序错误的问题
if (lock.isEmpty()) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " list为空");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 调用wait方法");
lock.wait();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " wait方法结束");
}
String element = lock.remove(0);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 取出第一个元素为:" + element);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}


}


static class Productor extends Thread {
private List<String> lock;

public Productor(List lock) {
this.lock = lock;
}

@Override
public void run() {
synchronized (lock) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 开始添加元素");
lock.add(Thread.currentThread().getName());
lock.notifyAll();
}
}

}

}

输出结果

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Thread-0 list为空
Thread-0 调用wait方法
Thread-2 开始添加元素
Thread-1 取出第一个元素为:Thread-2
Thread-0 wait方法结束
Exception in thread "Thread-0" java.lang.IndexOutOfBoundsException: Index: 0, Size: 0

异常原因分析:在这个例子中一共开启了3个线程,Consumer1,Consumer2以及Productor。首先Consumer1调用了wait方法后,线程处于了WAITTING状态,并且将对象锁释放出来。因此,Consumer2能够获取对象锁,从而进入到同步代块中,当执行到wait方法时,同样的也会释放对象锁。因此,productor能够获取到对象锁,进入到同步代码块中,向list中插入数据后,通过notifyAll方法通知处于WAITING状态的Consumer1和Consumer2线程。consumer1得到对象锁后,从wait方法出退出,删除了一个元素让List为空,方法执行结束,退出同步块,释放掉对象锁。这个时候Consumer2获取到对象锁后,从wait方法退出,继续往下执行,这个时候Consumer2再执行lock.remove(0);就会出错,因为List由于Consumer1删除一个元素之后已经为空了。

解决方案:通过上面的分析,可以看出Consumer2报异常是因为线程从wait方法退出之后没有再次对wait条件进行判断,因此,此时的wait条件已经发生了变化。解决办法就是,在wait退出之后再对条件进行判断即可。

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public class ConditionChangeDemo2 {

private static List<String> lockObject = new ArrayList();

public static void main(String[] args) {
Consumer consumer1 = new Consumer(lockObject);
Consumer consumer2 = new Consumer(lockObject);
Productor productor = new Productor(lockObject);
consumer1.start();
consumer2.start();
productor.start();
}


static class Consumer extends Thread {

private List<String> lock;

public Consumer(List lock) {
this.lock = lock;
}

@Override
public void run() {
synchronized (lock) {
try {
//这里使用if的话,就会存在wait条件变化造成程序错误的问题
while (lock.isEmpty()) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " list为空");
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 调用wait方法");
lock.wait();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " wait方法结束");
}
String element = lock.remove(0);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 取出第一个元素为:" + element);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}

}

static class Productor extends Thread {
private List<String> lock;

public Productor(List lock) {
this.lock = lock;
}

@Override
public void run() {
synchronized (lock) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 开始添加元素");
lock.add(Thread.currentThread().getName());
lock.notifyAll();
}
}

}

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输出结果

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Thread-0 list为空
Thread-0 调用wait方法
Thread-2 开始添加元素
Thread-1 取出第一个元素为:Thread-2
Thread-0 wait方法结束
Thread-0 list为空
Thread-0 调用wait方法

上面的代码与之前的代码仅仅只是将 wait 外围的 if 语句改为 while 循环即可,这样当 list 为空时,线程便会继续等待,而不会继续去执行删除 list 中元素的代码。

总结:在使用线程的等待/通知机制时,一般都要在 while 循环中调用 wait()方法,因此配合使用一个 boolean 变量(或其他能判断真假的条件,如本文中的 list.isEmpty()),满足 while 循环的条件时,进入 while 循环,执行 wait()方法,不满足 while 循环的条件时,跳出循环,执行后面的代码。

假死状态

现象:如果是多消费者和多生产者情况,如果使用notify方法可能会出现“假死”的情况,即唤醒的是同类线程。

原因分析:假设当前多个生产者线程会调用wait方法阻塞等待,当其中的生产者线程获取到对象锁之后使用notify通知处于WAITTING状态的线程,如果唤醒的仍然是生产者线程,就会造成所有的生产者线程都处于等待状态。

解决办法:将notify方法替换成notifyAll方法,如果使用的是lock的话,就将signal方法替换成signalAll方法。

总结

在Object提供的消息通知机制应该遵循如下这些条件:

  1. 永远在while循环中对条件进行判断而不是if语句中进行wait条件的判断;
  2. 使用NotifyAll而不是使用notify。

基本的使用范式如下:

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// The standard idiom for calling the wait method in Java 
synchronized (sharedObject) {
while (condition) {
sharedObject.wait();
// (Releases lock, and reacquires on wakeup)
}
// do action based upon condition e.g. take or put into queue
}

wait/notifyAll实现生产者-消费者

利用wait/notifyAll实现生产者和消费者代码如下:

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public class ProductorConsumerDemo1 {

public static void main(String[] args) {

LinkedList linkedList = new LinkedList();
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(15);
for (int i = 0; i < 5; i++) {
service.submit(new Productor(linkedList, 8));
}

for (int i = 0; i < 10; i++) {
service.submit(new Consumer(linkedList));
}

}

static class Productor implements Runnable {

private List<Integer> list;
private int maxLength;

public Productor(List list, int maxLength) {
this.list = list;
this.maxLength = maxLength;
}

@Override
public void run() {
while (true) {
synchronized (list) {
try {
while (list.size() == maxLength) {
System.out.println("生产者" + Thread.currentThread().getName() + " list以达到最大容量,进行wait");
list.wait();
System.out.println("生产者" + Thread.currentThread().getName() + " 退出wait");
}
Random random = new Random();
int i = random.nextInt();
System.out.println("生产者" + Thread.currentThread().getName() + " 生产数据" + i);
list.add(i);
list.notifyAll();
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}

}
}
}

static class Consumer implements Runnable {

private List<Integer> list;

public Consumer(List list) {
this.list = list;
}

@Override
public void run() {
while (true) {
synchronized (list) {
try {
while (list.isEmpty()) {
System.out.println("消费者" + Thread.currentThread().getName() + " list为空,进行wait");
list.wait();
System.out.println("消费者" + Thread.currentThread().getName() + " 退出wait");
}
Integer element = list.remove(0);
System.out.println("消费者" + Thread.currentThread().getName() + " 消费数据:" + element);
list.notifyAll();
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}

}
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生产者pool-1-thread-2 生产数据-703210513
生产者pool-1-thread-2 生产数据-1025434820
生产者pool-1-thread-2 生产数据70070412
生产者pool-1-thread-2 生产数据-598504371
生产者pool-1-thread-2 生产数据-716978999
生产者pool-1-thread-2 生产数据-1175198461
生产者pool-1-thread-2 生产数据-1212912406
生产者pool-1-thread-2 生产数据-332467186
生产者pool-1-thread-2 list以达到最大容量,进行wait
消费者pool-1-thread-15 消费数据:-703210513
消费者pool-1-thread-15 消费数据:-1025434820
消费者pool-1-thread-15 消费数据:70070412
消费者pool-1-thread-15 消费数据:-598504371
消费者pool-1-thread-15 消费数据:-716978999
消费者pool-1-thread-15 消费数据:-1175198461
消费者pool-1-thread-15 消费数据:-1212912406
消费者pool-1-thread-15 消费数据:-332467186
消费者pool-1-thread-15 list为空,进行wait
消费者pool-1-thread-14 list为空,进行wait
消费者pool-1-thread-13 list为空,进行wait
消费者pool-1-thread-11 list为空,进行wait
消费者pool-1-thread-12 list为空,进行wait
消费者pool-1-thread-10 list为空,进行wait
消费者pool-1-thread-9 list为空,进行wait
消费者pool-1-thread-8 list为空,进行wait
消费者pool-1-thread-7 list为空,进行wait
消费者pool-1-thread-6 list为空,进行wait
生产者pool-1-thread-5 生产数据84590545
生产者pool-1-thread-5 生产数据-1631754695

使用Lock中Condition的await/signalAll实现生产者-消费者

参照Object的wait和notify/notifyAll方法,Condition也提供了同样的方法:

针对wait方法

void await() throws InterruptedException:当前线程进入等待状态,如果其他线程调用condition的signal或者signalAll方法并且当前线程获取Lock从await方法返回,如果在等待状态中被中断会抛出被中断异常;

long awaitNanos(long nanosTimeout):当前线程进入等待状态直到被通知,中断或者超时;

boolean await(long time, TimeUnit unit)throws InterruptedException:同第二种,支持自定义时间单位

boolean awaitUntil(Date deadline) throws InterruptedException:当前线程进入等待状态直到被通知,中断或者到了某个时间

针对notify方法

void signal():唤醒一个等待在condition上的线程,将该线程从等待队列中转移到同步队列中,如果在同步队列中能够竞争到Lock则可以从等待方法中返回。

void signalAll():与signal的区别在于能够唤醒所有等待在condition上的线程

也就是说wait—>await,notify—->Signal。另外,关于lock中condition消息通知的原理解析可以看这篇文章。

如果采用lock中Conditon的消息通知原理来实现生产者-消费者问题,原理同使用wait/notifyAll一样。直接上代码:

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public class ProductorConsumerDemo2 {

private static ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
private static Condition full = lock.newCondition();
private static Condition empty = lock.newCondition();

public static void main(String[] args) {
LinkedList linkedList = new LinkedList();
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(15);
for (int i = 0; i < 5; i++) {
service.submit(new Productor(linkedList, 8, lock));
}
for (int i = 0; i < 10; i++) {
service.submit(new Consumer(linkedList, lock));
}

}

static class Productor implements Runnable {

private List<Integer> list;
private int maxLength;
private Lock lock;

public Productor(List list, int maxLength, Lock lock) {
this.list = list;
this.maxLength = maxLength;
this.lock = lock;
}

@Override
public void run() {
while (true) {
lock.lock();
try {
while (list.size() == maxLength) {
System.out.println("生产者" + Thread.currentThread().getName() + " list以达到最大容量,进行wait");
full.await();
System.out.println("生产者" + Thread.currentThread().getName() + " 退出wait");
}
Random random = new Random();
int i = random.nextInt();
System.out.println("生产者" + Thread.currentThread().getName() + " 生产数据" + i);
list.add(i);
empty.signalAll();
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
}

static class Consumer implements Runnable {

private List<Integer> list;
private Lock lock;

public Consumer(List list, Lock lock) {
this.list = list;
this.lock = lock;
}

@Override
public void run() {
while (true) {
lock.lock();
try {
while (list.isEmpty()) {
System.out.println("消费者" + Thread.currentThread().getName() + " list为空,进行wait");
empty.await();
System.out.println("消费者" + Thread.currentThread().getName() + " 退出wait");
}
Integer element = list.remove(0);
System.out.println("消费者" + Thread.currentThread().getName() + " 消费数据:" + element);
full.signalAll();
Thread.sleep(500);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}
}

}

输出结果

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生产者pool-1-thread-1 生产数据-1633842993
生产者pool-1-thread-1 生产数据1337251950
生产者pool-1-thread-1 生产数据1310879631
生产者pool-1-thread-1 生产数据-214297115
生产者pool-1-thread-1 生产数据738937512
生产者pool-1-thread-1 生产数据13060041
生产者pool-1-thread-1 生产数据-957049554
生产者pool-1-thread-1 生产数据-1062017880
生产者pool-1-thread-1 list以达到最大容量,进行wait
生产者pool-1-thread-2 list以达到最大容量,进行wait
生产者pool-1-thread-3 list以达到最大容量,进行wait
生产者pool-1-thread-4 list以达到最大容量,进行wait
生产者pool-1-thread-5 list以达到最大容量,进行wait
消费者pool-1-thread-6 消费数据:-1633842993
消费者pool-1-thread-6 消费数据:1337251950
消费者pool-1-thread-6 消费数据:1310879631
消费者pool-1-thread-6 消费数据:-214297115
消费者pool-1-thread-6 消费数据:738937512
消费者pool-1-thread-6 消费数据:13060041
消费者pool-1-thread-6 消费数据:-957049554
消费者pool-1-thread-6 消费数据:-1062017880
消费者pool-1-thread-6 list为空,进行wait
消费者pool-1-thread-7 list为空,进行wait
消费者pool-1-thread-8 list为空,进行wait
消费者pool-1-thread-9 list为空,进行wait
消费者pool-1-thread-10 list为空,进行wait
消费者pool-1-thread-11 list为空,进行wait
消费者pool-1-thread-12 list为空,进行wait
消费者pool-1-thread-13 list为空,进行wait
消费者pool-1-thread-14 list为空,进行wait
消费者pool-1-thread-15 list为空,进行wait
生产者pool-1-thread-1 退出wait
生产者pool-1-thread-1 生产数据1949864858
生产者pool-1-thread-1 生产数据-1693880970

使用BlockingQueue实现生产者-消费者

由于BlockingQueue内部实现就附加了两个阻塞操作。即当队列已满时,阻塞向队列中插入数据的线程,直至队列中未满;当队列为空时,阻塞从队列中获取数据的线程,直至队列非空时为止。关于BlockingQueue更多细节可以看这篇文章。可以利用BlockingQueue实现生产者-消费者为题,阻塞队列完全可以充当共享数据区域,就可以很好的完成生产者和消费者线程之间的协作。

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public class ProductorConsumerDmoe3 {

private static LinkedBlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<>();

public static void main(String[] args) {
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(15);
for (int i = 0; i < 5; i++) {
service.submit(new Productor(queue));
}
for (int i = 0; i < 10; i++) {
service.submit(new Consumer(queue));
}
}

static class Productor implements Runnable {
private BlockingQueue queue;

public Productor(BlockingQueue queue) {
this.queue = queue;
}

@Override
public void run() {
try {
while (true) {
Random random = new Random();
int i = random.nextInt();
System.out.println("生产者" + Thread.currentThread().getName() + "生产数据" + i);
queue.put(i);
Thread.sleep(1000);
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}

static class Consumer implements Runnable {
private BlockingQueue queue;

public Consumer(BlockingQueue queue) {
this.queue = queue;
}

@Override
public void run() {
try {
while (true) {
Integer element = (Integer) queue.take();
System.out.println("消费者" + Thread.currentThread().getName() + "正在消费数据" + element);
Thread.sleep(1000);
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}

}

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生产者pool-1-thread-2生产数据-1056722868
生产者pool-1-thread-1生产数据-1217947426
生产者pool-1-thread-3生产数据590686437
生产者pool-1-thread-4生产数据1782376429
生产者pool-1-thread-5生产数据1558897279
消费者pool-1-thread-6正在消费数据-1056722868
消费者pool-1-thread-7正在消费数据-1217947426
消费者pool-1-thread-8正在消费数据590686437
消费者pool-1-thread-9正在消费数据1782376429
消费者pool-1-thread-10正在消费数据1558897279
生产者pool-1-thread-4生产数据1977644261
生产者pool-1-thread-3生产数据182370155
消费者pool-1-thread-11正在消费数据1977644261
生产者pool-1-thread-2生产数据949821636
生产者pool-1-thread-5生产数据1931032717
消费者pool-1-thread-13正在消费数据949821636
生产者pool-1-thread-1生产数据873417555
消费者pool-1-thread-14正在消费数据1931032717
消费者pool-1-thread-12正在消费数据182370155
消费者pool-1-thread-15正在消费数据873417555

可以看出,使用BlockingQueue来实现生产者-消费者很简洁,这正是利用了BlockingQueue插入和获取数据附加阻塞操作的特性。

作者

buubiu

发布于

2020-09-25

更新于

2024-01-25

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