Java多线程编程:生产者-消费者问题实战解决方案 | 并发编程指南

2025-08-22 0 367

1. 生产者-消费者问题简介

生产者-消费者问题是多线程编程中的经典同步问题,描述的是两类线程(生产者和消费者)共享固定大小缓冲区时的协作问题。

生产者生成数据放入缓冲区,消费者从缓冲区取出数据消费。关键是要确保生产者不会在缓冲区满时添加数据,消费者不会在缓冲区空时消耗数据。

2. 使用BlockingQueue实现

Java的BlockingQueue接口是解决生产者-消费者问题的理想选择,它提供了线程安全的队列操作,并内置了阻塞机制。

2.1 创建数据模型


// 数据项类
public class DataItem {
    private final int id;
    private final String data;
    
    public DataItem(int id, String data) {
        this.id = id;
        this.data = data;
    }
    
    public int getId() { return id; }
    public String getData() { return data; }
    
    @Override
    public String toString() {
        return "DataItem{id=" + id + ", data='" + data + "'}";
    }
}
    

2.2 实现生产者


import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class Producer implements Runnable {
    private final BlockingQueue queue;
    private final AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);
    private volatile boolean isRunning = true;
    
    public Producer(BlockingQueue queue) {
        this.queue = queue;
    }
    
    @Override
    public void run() {
        try {
            while (isRunning) {
                // 模拟数据生成耗时
                Thread.sleep(100);
                
                int id = counter.incrementAndGet();
                DataItem item = new DataItem(id, "Data-" + id);
                
                // 将数据放入队列,如果队列满则阻塞
                queue.put(item);
                System.out.println("生产者生成: " + item);
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }
    
    public void stop() {
        isRunning = false;
    }
}
    

2.3 实现消费者


import java.util.concurrent.BlockingQueue;

public class Consumer implements Runnable {
    private final BlockingQueue queue;
    private volatile boolean isRunning = true;
    
    public Consumer(BlockingQueue queue) {
        this.queue = queue;
    }
    
    @Override
    public void run() {
        try {
            while (isRunning) {
                // 从队列取出数据,如果队列空则阻塞
                DataItem item = queue.take();
                
                // 模拟数据处理耗时
                Thread.sleep(150);
                System.out.println("消费者处理: " + item + " | 由线程: " 
                                   + Thread.currentThread().getName());
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }
    
    public void stop() {
        isRunning = false;
    }
}
    

2.4 创建主应用程序


import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class ProducerConsumerDemo {
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建大小为10的阻塞队列
        BlockingQueue queue = new LinkedBlockingQueue(10);
        
        // 创建线程池
        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
        
        // 创建生产者
        Producer producer = new Producer(queue);
        executor.execute(producer);
        
        // 创建3个消费者
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            Consumer consumer = new Consumer(queue);
            executor.execute(consumer);
        }
        
        // 运行10秒
        Thread.sleep(10 * 1000);
        
        // 停止生产者
        producer.stop();
        
        // 等待队列中的数据被消费完
        while (!queue.isEmpty()) {
            Thread.sleep(500);
        }
        
        // 停止消费者
        executor.shutdownNow();
        
        // 等待线程池终止
        if (!executor.awaitTermination(5, TimeUnit.SECONDS)) {
            System.err.println("仍有任务未结束");
        }
        
        System.out.println("程序结束");
    }
}
    

3. 使用wait()和notify()手动实现

除了使用BlockingQueue,我们也可以使用传统的wait()notify()方法手动实现生产者-消费者模式。

3.1 实现自定义阻塞队列


import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;

public class CustomBlockingQueue {
    private final Queue queue = new LinkedList();
    private final int capacity;
    
    public CustomBlockingQueue(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
    }
    
    public synchronized void put(T item) throws InterruptedException {
        while (queue.size() == capacity) {
            wait(); // 队列满,等待
        }
        
        queue.add(item);
        notifyAll(); // 通知消费者有数据可用
    }
    
    public synchronized T take() throws InterruptedException {
        while (queue.isEmpty()) {
            wait(); // 队列空,等待
        }
        
        T item = queue.remove();
        notifyAll(); // 通知生产者有空间可用
        return item;
    }
    
    public synchronized int size() {
        return queue.size();
    }
    
    public synchronized boolean isEmpty() {
        return queue.isEmpty();
    }
}
    

4. 性能优化和注意事项

4.1 选择合适的队列实现

  • LinkedBlockingQueue: 无界或有界队列,适合生产消费速度大致匹配的场景
  • ArrayBlockingQueue: 有界队列,固定大小,内存使用更高效
  • SynchronousQueue: 不存储元素的队列,适合直接传递场景
  • PriorityBlockingQueue: 支持优先级的无界队列

4.2 线程池配置策略

根据任务特性选择合适的线程池:


// CPU密集型任务
int cpuCores = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
ExecutorService cpuBoundExecutor = Executors.newFixedThreadPool(cpuCores);

// IO密集型任务
ExecutorService ioBoundExecutor = Executors.newCachedThreadPool();

// 定时任务
ScheduledExecutorService scheduledExecutor = Executors.newScheduledThreadPool(4);
    

4.3 异常处理

在多线程环境中,恰当的异常处理至关重要:


// 使用UncaughtExceptionHandler处理未捕获异常
Thread.setDefaultUncaughtExceptionHandler((thread, throwable) -> {
    System.err.println("线程 " + thread.getName() + " 发生异常: " + throwable.getMessage());
});

// 或者为每个线程单独设置
Thread producerThread = new Thread(producer);
producerThread.setUncaughtExceptionHandler((thread, throwable) -> {
    System.err.println("生产者线程异常: " + throwable.getMessage());
});
    

5. 实际应用场景

5.1 日志处理系统

生产者:应用程序生成日志 → 消费者:日志处理服务(写入文件、发送到日志服务器等)

5.2 图像处理管道

生产者:图像上传 → 消费者1:图像压缩 → 消费者2:生成缩略图 → 消费者3:保存到存储系统

5.3 消息推送系统

生产者:接收推送请求 → 消费者:调用第三方推送服务(APNs、FCM等)

6. 总结

生产者-消费者模式是Java多线程编程中的重要模式,能够有效解耦生产者和消费者,平衡处理能力差异,提高系统整体吞吐量。

本文介绍了两种实现方式:使用Java内置的BlockingQueue和手动使用wait()/notify()实现。在实际开发中,推荐优先使用BlockingQueue,因为它更简洁且不易出错。

正确实现生产者-消费者模式需要注意线程安全、死锁避免、资源管理和异常处理等方面,这些都是构建高并发、高性能Java应用的关键技能。

7. 扩展阅读

  • Java并发包(java.util.concurrent)深入研究
  • Disruptor高性能队列框架
  • 响应式编程与Reactor模式
  • Java内存模型与happens-before原则
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