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Step 1. 什么是生产者消费者问题
生产者消费者问题 也叫 有限缓冲问题 ，是多线程同步的一个最最最经典的问题。这个问题描述的场景是对于一个有固定大小的缓冲区，同时共享给两个线程去使用。而这两个线程会分为两个角色，一个负责往这个缓冲区里放入一定的数据，我们叫他 生产者 。另一个负责从缓冲区里取数据，我们叫他 消费者 。
这里就会有两个问题，第一个问题是生产者不可能无限制的放数据去缓冲区，因为缓冲区是有大小的，当缓冲区满的时候，生产者就必须停止生产。第二个问题亦然，消费者也不可能无限制的从缓冲区去取数据，取数据的前提是缓冲区里有数据，所以当缓冲区空的时候，消费者就必须停止生产。
这两个问题看起来简单，但是在实际编码的时候还是会有许多坑，稍不留意就会铸成大错。而且上面只是单个消费者生产者问题，实现应用中，还会遇到多生产多消费等更复杂的场景。这些问题下面会详细叙述。
Step 2. 为什么会有这个问题
通过上节的内容，我们知道了什么是生产者消费者问题。但是为什么会出现这种问题呢？
其实如果说『生产者消费者问题』，可能因为有了『问题』两个字而显得比较负面。我更喜欢称之为『生产者消费者模式』，就像我们学的那些代码设计模式一样。他其实是多线程情况下的一种设计模式，是某些场景下久经考验的最佳实践。
那么这种模式有哪些作用呢？
他的第一个好处是解耦。
举个外卖的例子。在没有美团、饿了么之前，肯定没有现在这么多满大街跑的外卖小哥。你打电话点了一份外卖，通常都是老板自己做菜自己送。你想像一下，老板洗菜、切菜、做菜，做好之后再打包，然后拎着打包盒，骑个自行车，再满小区找地址，最后送到你的手中。这里就会出现几个问题，第一，老板挺不容易的，要会洗菜、切菜、做菜烹饪一条龙，做好之后，还要会骑车，光会骑车还不行，他还要认路，哪哪小区在哪里，哪哪栋在哪里，从哪走比较近，哪个门口保安不让进。这样就把所有的职能都集中在了老板身上，做饭与送饭，其实是两条事，理论上没有什么联系，但是这里如果老板切菜时，一不小心切到了手，那不光菜做不了，后面也没法送。或者送外卖的路上，为赶时间闯红灯被交警拦了下来，不光饭送不了，还回不来做下一份。这就像我们的代码全都耦合在一起的后果，两个业务相互影响，一个业务出现问题另一个也跟着出现问题，一个业务变更就带着另一个业务变更。
我们想想，有了外卖小哥之后呢？老板只要关注于做菜就好了，做好给到外卖小哥。外卖小哥会送到用户手上。老板想的是怎么把菜做的更好吃，外卖小哥想的是怎么最快送达。职能清晰了，效率就更高了。这里可以把老板当成生产者，对应的外卖小哥就是消费者。
他的第二个好处就是均衡生产者与消费者的能力。
还是举外卖的例子。有些外卖是要实时准备的，比如说做菜就是这样，用户下单后，老板立刻洗菜、切菜、做菜然后打包。对于比较耗时的菜品，比如煲粥、炖汤之类的时间可能很长。而外卖小哥耗费的时间只是接到通知后来到这家店的时间。因为现在的外卖系统比较智能，通知的都是距离商户最近的外卖小哥，所以到店的时间一般比较短。这种场景下瓶颈就是商家的产能，高峰期就可能会造成排队。如下图：
再严重一点就会这样
对于这个问题的原因我们很清楚了，是因为生产者（商家）的产能跟不上消费者（外卖小哥）的消费（送餐）速度。因为我们把职能分开了，所以解决问题也很清晰，那就提高生产者的产能，比如说老板可以多雇几个厨师或者再开一家分店。这样就把生产者的产能提高到与消费者的产能平衡的位置。
还有另一种生产者比消费者快的情况，比如说一些小超市，他也有外卖服务。因为他的东西都是现成的，用户下完单后，只要按订单装好就可以了。这个时候反而是从外边过来的外卖小哥要慢的多。再或者是商品准备的时间很短，但是送餐的路途遥远，路况复杂。所以瓶颈到外卖小哥身上。
这种情况下问题也很清晰了，消费者消耗的速度跟不上生产者的产能，那扩充消费者的数量好了。比如经常遇到的外卖转单，一个外卖小哥来不及了，转给了另一个外卖小哥。同样也能达到生产者与消费者的产能均衡。
Step 3. 怎么去实现生产者消费者模式
好了，说完了 what 还有 why，那么我们现在接着说怎么去实现生产者消费者模式，不再废话直接上代码。
首先我们写一个老板类：
3.1 Boss.java（老板）
/**
* fshows.com
* Copyright (C) 2013-2019 All Rights Reserved.
*/
package cn.coder4j.study.example.thread;
import java.util.LinkedList;
/**
* 老板
* @author buhao
* @version Boss.java, v 0.1 2019-11-09 15:09 buhao
*/
public class Boss implements Runnable {
/**
* 最大生产数量
*/
public static final int MAX_NUM = 5;
/**
* 桌子
*/
private LinkedList<String> tables;
public Boss(LinkedList<String> tables) {this.tables = tables;}
@Override
public void run() {
// 注意点 1
while (true){synchronized (this.tables){
// 注意点 2
while (tables.size() == MAX_NUM){System.out.println("通知外卖小哥取餐");
// 注意点 3
this.tables.notifyAll();
try {System.out.println("老板开始休息了");
this.tables.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
}
}
String goods = "牛肉面" + tables.size();
System.out.println("老板做了一碗" + goods);
tables.addLast(goods);
}
}
}
}然后我们再写一个外卖小哥类，但是尴尬的是发现不知道外卖小哥英文怎么写，查了一下结果如下
这个 brother 总感觉怪怪的，但是我读书少，他骗我也不知道，就用这个吧。要是有英语大神可以留言回复一下正确怎么写。
3.2 TakeawayBrother.java（外卖小哥）
/**
* fshows.com
* Copyright (C) 2013-2019 All Rights Reserved.
*/
package cn.coder4j.study.example.thread;
import java.util.LinkedList;
/**
* 外卖小哥
* @author buhao
* @version TakeawayBrother.java, v 0.1 2019-11-09 15:14 buhao
*/
public class TakeawayBrother implements Runnable {
private LinkedList<String> tables;
public TakeawayBrother(LinkedList<String> tables) {this.tables = tables;}
@Override
public void run() {while (true){synchronized (this.tables){while (this.tables == null || this.tables.size() == 0){System.out.println("催老板赶快做外卖");
this.tables.notifyAll();
try {System.out.println("一边玩手机一边等外卖");
this.tables.wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();
}
}
String goods = tables.removeFirst();
System.out.println("外卖小哥取餐了" + goods);
}
}
}
}事件发生总归有一个地方吧，一般老板把外卖给到外卖小哥都是在店铺里，最后我们再加一个店铺场景类吧
3.3 StoreContext.java（店铺）
/**
* fshows.com
* Copyright (C) 2013-2019 All Rights Reserved.
*/
package cn.coder4j.study.example.thread;
import java.util.LinkedList;
/**
* 店铺场景
* @author buhao
* @version StoreContext.java, v 0.1 2019-11-09 15:28 buhao
*/
public class StoreContext {public static void main(String[] args) {
// 先创建一张用于存放外卖的桌子
LinkedList<String> tables = new LinkedList<>();
// 再创建一个老板
Boss boss = new Boss(tables);
// 最后创建一个外卖小哥
TakeawayBrother takeawayBrother = new TakeawayBrother(tables);
// 创建线程对象
Thread bossThread = new Thread(boss);
Thread takeawayBrotherThread = new Thread(takeawayBrother);
// 运行线程
bossThread.start();
takeawayBrotherThread.start();}
}3.4 运行结果
老板做了一碗牛肉面 0
老板做了一碗牛肉面 1
老板做了一碗牛肉面 2
老板做了一碗牛肉面 3
老板做了一碗牛肉面 4
通知外卖小哥取餐
老板开始休息了
外卖小哥取餐了牛肉面 0
外卖小哥取餐了牛肉面 1
外卖小哥取餐了牛肉面 2
外卖小哥取餐了牛肉面 3
外卖小哥取餐了牛肉面 4
催老板赶快做外卖
一边玩手机一边等外卖
老板做了一碗牛肉面 0
老板做了一碗牛肉面 1
老板做了一碗牛肉面 2
老板做了一碗牛肉面 3
老板做了一碗牛肉面 4
通知外卖小哥取餐
老板开始休息了
外卖小哥取餐了牛肉面 0
外卖小哥取餐了牛肉面 1
外卖小哥取餐了牛肉面 2
外卖小哥取餐了牛肉面 3
外卖小哥取餐了牛肉面 4
催老板赶快做外卖
一边玩手机一边等外卖
..........Step 4. 代码说明
首先上面的代码是一个最基本的单生产单消费的例子。如果你想要多生产多消费，那多创建几个 boss 或者 takeawayBrother 就可以了。
然后店铺场景类没什么可说的，只是基本的创建线程逻辑，如果对于线程创建不了解的，可以参考前文的【并发那些事】创建线程的三种方式。此文不再赘述。另外观察代码，可以发现生产者与消费者的代码极为相似，只是一个存一个取。这里我们以生产者为例子说明。
首先在 Boss 类中他有两个成员属性，一个是 MAX_NUM 一个是 tables。还记得我们在一开头提到的『固定大小的缓冲区』吗？这里的 MAX_NUM 对应的就是『固定大小』这几个字，这里我们设置的是 5 个。他的现实意义就是老板不可能从早到晚一刻不停的做菜，一般是在点单的时候开始做，也有一些在高峰期的时候提前做一点，但是他放菜的桌子只有那么大，放满了就不能接着做。而 tables 就对应着『缓冲区』这几个字。老板做完菜总要有一个地方先放着等外卖小哥来拿吧，缓冲区就是放菜的桌子。
然后我们再接着看代码逻辑，我在代码中标记了几个注意点。
第一个注意点是最外面一层的 while。这个是多线程通用写法，因为不写 while 的话，一次任务结束后代码就退出了。现实业务中我们通常想要业务一直持续的运行，所以加个 while 解决。
第二个注意点 while (tables.size() == MAX_NUM)。这个信息量相对多一点，首先 while 的判断条件的意思是判断当前桌子上的外卖是不是已经达到上限，如果是会进入 while 代码块的内容，首先通知 (notifyAll) 外卖小哥可以拿外卖了，然后自己可以歇着了 (wait)，否则接着往下走继续做。初次接触生产消费模型的同学，很容易出错的点就是把这里的 while 写成 if。因为这里本身也只是要判断当前缓冲区是否满足生产的条件。其实在语法与逻辑上没有问题，但是在多线程下就会出现 虚假唤醒 的问题。比如现在有两个生产者都处于调用 wait 的地方。突然消费者线程把数据消费完了，并通知了所有生产者去生产，两个生产者都接收到消息，但是只有一个生产者拿到锁，他就去生产了，生产完后，把锁就释放了，刚刚另一个接收到消息的生产者拿到锁就接着往下走，如果这里是 if 的话，因为都已经判断过了，不会再判断，但是明显另一个线程已经完了任务，他现在已经不符合条件。接着往下走就会出现问题。所以当这里换成 while 后，他醒来后还会接着判断一次，不满足就接着等待，这样就避免了虚假唤醒这种问题。
第三个注意点 this.tables.notifyAll()。关于第二个问题，大家可能要说了，出现问题是因为我们同时通知了两个生产者造成的，java 自带了一个唤醒单个线程的 notify 方法为什么不用，反而用唤醒所有线程的 notifyAll 方法。这是因为 notify 唤醒线程是 随机 的，也就是说你唤醒的可能是生产者也可能是消费者。比如说你是生产者，你生产够了，你想唤醒消费者，但是不幸的是你唤醒了另一个生产者，另一个生产者一觉醒来，发现菜都做完了，就接着睡，如果生产者一直唤醒的都是生产者，那么程序就会进入 假死 状态，消费者永远都处于等待状态。
其它
1. 项目代码
因为篇幅有限，无法贴完所有代码，如遇到问题可到 github 上查看源码。
2. 参考链接
- [生产者消费者问题[WIKI]](https://zh.wikipedia.org/zh-h…
- Java 多线程 14：生产者 / 消费者模型
- 一篇文章，让你彻底弄懂生产者 – 消费者问题
