「每日一面」生产者消费者问题（今日头条Android岗位面试题）

        以前去面试今日头条Android岗位，没有问太多安卓技术问题，印象比较深的就是让手写一下生产者消费者的问题。当时只想到多线程，等待阻塞，但是准备不足，没有写出来。今天再复盘理解分享一下。

1. 生产者消费者问题?

        生产者消费者问题（英语：Producer-consumer problem），也称有限缓冲问题或者缓存绑定问题（英语：Bounded-buffer problem），是一个多线程同步问题的经典案例。该问题描述了两个共享固定大小缓冲区的线程——即所谓的“生产者”和“消费者”——在实际运行时会发生的问题。生产者的主要作用是生成一定量的数据放到缓冲区中，然后重复此过程。与此同时，消费者也在缓冲区消耗这些数据。该问题的关键就是要保证生产者不会在缓冲区满时加入数据，消费者也不会在缓冲区中空时消耗数据。主要看多生产者多消费者。

2. 问题分析

1) 关系分析。生产者和消费者对缓冲区互斥访问是互斥关系，同时生产者和消费者又是一个相互协作的关系，只有生产者生产之后，消费者才能消费，他们也是同步关系。

2) 整理思路。这里比较简单，只有生产者和消费者两个进程，正好是这两个进程存在着互斥关系和同步关系。那么需要解决的是互斥和同步PV操作的位置。

3. 代码实现

在Java中有四种方法支持同步，其中前三个是同步方法，一个是管道方法。

wait() / notify()方法
await() / signal()方法
BlockingQueue阻塞队列方法

PipedInputStream / PipedOutputStream

缓冲区Storage.java代码如下：

3.1 wait() / notify()方法
wait() / nofity()方法是基类Object的两个方法：
wait()方法：当缓冲区已满/空时，生产者/消费者线程停止自己的执行，放弃锁，使自己处于等等状态，让其他线程执行。

notify()方法：当生产者/消费者向缓冲区放入/取出一个产品时，向其他等待的线程发出可执行的通知，同时放弃锁，使自己处于等待状态。

import java.util.LinkedList;

public class Storage
{
    // 仓库最大存储量
    private final int MAX_SIZE = 100;

    // 仓库存储的载体
    private LinkedList<Object> list = new LinkedList<Object>();

    // 生产产品
    public void produce(String producer)
    {
        synchronized (list)
        {
            // 如果仓库已满
            while (list.size() == MAX_SIZE)
            {
                System.out.println("仓库已满，【"+producer+"】： 暂时不能执行生产任务!");
                try
                {
                    // 由于条件不满足，生产阻塞
                    list.wait();
                }
                catch (InterruptedException e)
                {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

            // 生产产品            
            list.add(new Object());            

            System.out.println("【"+producer+"】：生产了一个产品\t【现仓储量为】:" + list.size());

            list.notifyAll();
        }
    }

    // 消费产品
    public void consume(String consumer)
    {
        synchronized (list)
        {
            //如果仓库存储量不足
            while (list.size()==0)
            {
                System.out.println("仓库已空，【"+consumer+"】： 暂时不能执行消费任务!");
                try
                {
                    // 由于条件不满足，消费阻塞
                    list.wait();
                }
                catch (InterruptedException e)
                {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            
            list.remove();
            System.out.println("【"+consumer+"】：消费了一个产品\t【现仓储量为】:" + list.size());
            list.notifyAll();
        }
    }

    public LinkedList<Object> getList()
    {
        return list;
    }

    public void setList(LinkedList<Object> list)
    {
        this.list = list;
    }

    public int getMAX_SIZE()
    {
        return MAX_SIZE;
    }
}

生产者Producer.java代码如下

public class Producer extends Thread
{
    private String producer;
    private Storage storage;

    public Producer(Storage storage)
    {
        this.storage = storage;
    }

    @Override
    public void run()
    {
        produce(producer);
    }

    public void produce(String producer)
    {
        storage.produce(producer);
    }

    public String getProducer()
    {
        return producer;
    }

    public void setProducer(String producer)
    {
        this.producer = producer;
    }

    public Storage getStorage()
    {
        return storage;
    }

    public void setStorage(Storage storage)
    {
        this.storage = storage;
    }
}

消费者Cosumer.java代码如下：

public class Consumer extends Thread
{
    private String consumer;
    private Storage storage;

    public Consumer(Storage storage)
    {
        this.storage = storage;
    }

    @Override
    public void run()
    {
        consume(consumer);
    }

    public void consume(String consumer)
    {
        storage.consume(consumer);
    }

    public Storage getStorage()
    {
        return storage;
    }

    public void setStorage(Storage storage)
    {
        this.storage = storage;
    }

    public String getConsumer() {
        return consumer;
    }

    public void setConsumer(String consumer) {
        this.consumer = consumer;
    }
}

运行结果如下

仓库已空，【消费者1】： 暂时不能执行消费任务!
【生产者3】：生产了一个产品    【现仓储量为】:1
【消费者2】：消费了一个产品    【现仓储量为】:0
仓库已空，【消费者3】： 暂时不能执行消费任务!
【生产者1】：生产了一个产品    【现仓储量为】:1
【生产者4】：生产了一个产品    【现仓储量为】:2
【生产者2】：生产了一个产品    【现仓储量为】:3
【生产者5】：生产了一个产品    【现仓储量为】:4
【消费者1】：消费了一个产品    【现仓储量为】:3
【消费者3】：消费了一个产品    【现仓储量为】:2

3.2 await() / signal()方法
await()和signal()的功能基本上和wait() / nofity()相同，完全可以取代它们，但是它们和新引入的锁定机制Lock直接挂钩，具有更大的灵活性。通过在Lock对象上调用newCondition()方法，将条件变量和一个锁对象进行绑定，进而控制并发程序访问竞争资源的安全。

缓冲区Storage.java代码如下：

import java.util.LinkedList;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class Storage {
    // 仓库最大存储量
    private final int MAX_SIZE = 100;

    // 仓库存储的载体
    private LinkedList<Object> list = new LinkedList<Object>();
    // 锁
    private final Lock lock = new ReentrantLock();

    // 仓库满的条件变量
    private final Condition full = lock.newCondition();

    // 仓库空的条件变量
    private final Condition empty = lock.newCondition();

    // 生产产品
    public void produce(String producer) {
        lock.lock();
        // 如果仓库已满
        while (list.size() == MAX_SIZE) {
            System.out.println("仓库已满，【" + producer + "】： 暂时不能执行生产任务!");
            try {
                // 由于条件不满足，生产阻塞
                full.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        // 生产产品
        list.add(new Object());

        System.out.println("【" + producer + "】：生产了一个产品\t【现仓储量为】:" + list.size());

        empty.signalAll();

        // 释放锁
        lock.unlock();

    }

    // 消费产品
    public void consume(String consumer) {
        // 获得锁
        lock.lock();

        // 如果仓库存储量不足
        while (list.size() == 0) {
            System.out.println("仓库已空，【" + consumer + "】： 暂时不能执行消费任务!");
            try {
                // 由于条件不满足，消费阻塞
                empty.await();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        list.remove();
        System.out.println("【" + consumer + "】：消费了一个产品\t【现仓储量为】:" + list.size());
        full.signalAll();
        
        // 释放锁
        lock.unlock();

    }

    public LinkedList<Object> getList() {
        return list;
    }

    public void setList(LinkedList<Object> list) {
        this.list = list;
    }

    public int getMAX_SIZE() {
        return MAX_SIZE;
    }
}

3.3 BlockingQueue
它是一个已经在内部实现了同步的队列，实现方式采用的是我们第2种await() / signal()方法。它可以在生成对象时指定容量大小。它用于阻塞操作的是put()和take()方法：
put()方法：类似于我们上面的生产者线程，容量达到最大时，自动阻塞。

take()方法：类似于我们上面的消费者线程，容量为0时，自动阻塞。

import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

public class Storage {
    // 仓库最大存储量
    private final int MAX_SIZE = 100;

    // 仓库存储的载体
    private LinkedBlockingQueue<Object> list = new LinkedBlockingQueue<Object>(100);  

    // 生产产品
    public void produce(String producer) {
        // 如果仓库已满
        if (list.size() == MAX_SIZE) {
            System.out.println("仓库已满，【" + producer + "】： 暂时不能执行生产任务!");            
        }

        // 生产产品
        try {
            list.put(new Object());
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("【" + producer + "】：生产了一个产品\t【现仓储量为】:" + list.size());
    }

    // 消费产品
    public void consume(String consumer) {
        // 如果仓库存储量不足
        if (list.size() == 0) {
            System.out.println("仓库已空，【" + consumer + "】： 暂时不能执行消费任务!");            
        }

        try {
            list.take();
        } catch (InterruptedException e) {
            // TODO Auto-generated catch block
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("【" + consumer + "】：消费了一个产品\t【现仓储量为】:" + list.size());        

    }

    public LinkedBlockingQueue<Object> getList() {
        return list;
    }

    public void setList(LinkedBlockingQueue<Object> list) {
        this.list = list;
    }
    public int getMAX_SIZE() {
        return MAX_SIZE;
    }
}