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Java多线程编程实战：生产者-消费者问题解决方案 | Java并发教程

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2025-09-19 0 757

深入理解Java多线程编程，掌握生产者-消费者问题的多种实现方式

Java多线程编程简介

Java从最初版本就支持多线程编程，提供了丰富的API来处理并发编程。多线程能够充分利用多核CPU的计算能力，提高程序性能，但也带来了线程安全、死锁、资源竞争等问题。

生产者-消费者问题

生产者-消费者问题描述了两个或多个线程共享固定大小缓冲区的场景：

  • 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
  • 问题在于确保生产者不会在缓冲区满时加入数据，消费者不会在缓冲区空时取出数据

Java线程基础

在Java中创建线程有两种主要方式：继承Thread类和实现Runnable接口。

继承Thread类


public class ProducerThread extends Thread {
    @Override
    public void run() {
        // 生产者逻辑
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("生产产品: " + i);
            try {
                Thread.sleep(100); // 模拟生产时间
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

// 使用方式
ProducerThread producer = new ProducerThread();
producer.start();

实现Runnable接口


public class ConsumerRunnable implements Runnable {
    @Override
    public void run() {
        // 消费者逻辑
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("消费产品: " + i);
            try {
                Thread.sleep(150); // 模拟消费时间
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

// 使用方式
Thread consumer = new Thread(new ConsumerRunnable());
consumer.start();

线程状态

Java线程有以下几种状态：

  • NEW：新创建但尚未启动
  • RUNNABLE：正在运行或准备运行
  • BLOCKED：等待监视器锁
  • WAITING：无限期等待
  • TIMED_WAITING：有限期等待
  • TERMINATED：已终止

线程同步机制

Java提供了多种线程同步机制来确保线程安全：

synchronized关键字


public class SharedBuffer {
    private final List buffer = new ArrayList();
    private final int capacity;
    
    public SharedBuffer(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
    }
    
    // 同步方法
    public synchronized void produce(int item) throws InterruptedException {
        while (buffer.size() == capacity) {
            wait(); // 缓冲区满，等待
        }
        buffer.add(item);
        System.out.println("生产: " + item + ", 缓冲区大小: " + buffer.size());
        notifyAll(); // 通知消费者
    }
    
    public synchronized int consume() throws InterruptedException {
        while (buffer.isEmpty()) {
            wait(); // 缓冲区空，等待
        }
        int item = buffer.remove(0);
        System.out.println("消费: " + item + ", 缓冲区大小: " + buffer.size());
        notifyAll(); // 通知生产者
        return item;
    }
}

Lock和Condition


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

public class LockBuffer {
    private final List buffer = new ArrayList();
    private final int capacity;
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition notFull = lock.newCondition();
    private final Condition notEmpty = lock.newCondition();
    
    public LockBuffer(int capacity) {
        this.capacity = capacity;
    }
    
    public void produce(int item) throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (buffer.size() == capacity) {
                notFull.await(); // 缓冲区满，等待
            }
            buffer.add(item);
            System.out.println("生产: " + item + ", 缓冲区大小: " + buffer.size());
            notEmpty.signal(); // 通知消费者
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
    
    public int consume() throws InterruptedException {
        lock.lock();
        try {
            while (buffer.isEmpty()) {
                notEmpty.await(); // 缓冲区空，等待
            }
            int item = buffer.remove(0);
            System.out.println("消费: " + item + ", 缓冲区大小: " + buffer.size());
            notFull.signal(); // 通知生产者
            return item;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

生产者-消费者解决方案

下面介绍三种解决生产者-消费者问题的方法。

方案一：使用wait()和notify()


public class WaitNotifyExample {
    private static final int CAPACITY = 5;
    
    public static void main(String[] args) {
        SharedBuffer buffer = new SharedBuffer(CAPACITY);
        
        // 生产者线程
        Thread producer = new Thread(() -> {
            for (int i = 1; i  {
            for (int i = 1; i <= 10; i++) {
                try {
                    buffer.consume();
                    Thread.sleep(150);
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            }
        });
        
        producer.start();
        consumer.start();
        
        try {
            producer.join();
            consumer.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }
}

方案二：使用Lock和Condition


public class LockConditionExample {
    private static final int CAPACITY = 5;
    
    public static void main(String[] args) {
        LockBuffer buffer = new LockBuffer(CAPACITY);
        
        // 创建多个生产者和消费者
        Thread[] producers = new Thread[2];
        Thread[] consumers = new Thread[3];
        
        for (int i = 0; i  {
                for (int j = 1; j <= 5; j++) {
                    try {
                        buffer.produce(j);
                        Thread.sleep(100);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        Thread.currentThread().interrupt();
                    }
                }
            });
        }
        
        for (int i = 0; i  {
                for (int j = 1; j <= 4; j++) {
                    try {
                        buffer.consume();
                        Thread.sleep(150);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        Thread.currentThread().interrupt();
                    }
                }
            });
        }
        
        // 启动所有线程
        for (Thread producer : producers) {
            producer.start();
        }
        for (Thread consumer : consumers) {
            consumer.start();
        }
        
        // 等待所有线程完成
        try {
            for (Thread producer : producers) {
                producer.join();
            }
            for (Thread consumer : consumers) {
                consumer.join();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }
}

方案三：使用BlockingQueue


import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;

public class BlockingQueueExample {
    private static final int CAPACITY = 5;
    
    public static void main(String[] args) {
        // 创建有界阻塞队列
        BlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue(CAPACITY);
        
        // 生产者
        Thread producer = new Thread(() -> {
            for (int i = 1; i  {
            for (int i = 1; i <= 10; i++) {
                try {
                    int item = queue.take(); // 如果队列空则阻塞
                    System.out.println("消费: " + item + ", 队列大小: " + queue.size());
                    Thread.sleep(150);
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            }
        });
        
        producer.start();
        consumer.start();
        
        try {
            producer.join();
            consumer.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }
}

方案四：使用Semaphore


import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;

public class SemaphoreExample {
    private static final int CAPACITY = 5;
    private final Queue queue = new LinkedList();
    private final Semaphore producerSemaphore = new Semaphore(CAPACITY);
    private final Semaphore consumerSemaphore = new Semaphore(0);
    private final Object lock = new Object();
    
    public void produce(int item) throws InterruptedException {
        producerSemaphore.acquire(); // 获取生产许可
        synchronized (lock) {
            queue.offer(item);
            System.out.println("生产: " + item + ", 队列大小: " + queue.size());
        }
        consumerSemaphore.release(); // 释放消费许可
    }
    
    public int consume() throws InterruptedException {
        consumerSemaphore.acquire(); // 获取消费许可
        int item;
        synchronized (lock) {
            item = queue.poll();
            System.out.println("消费: " + item + ", 队列大小: " + queue.size());
        }
        producerSemaphore.release(); // 释放生产许可
        return item;
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        SemaphoreExample example = new SemaphoreExample();
        
        Thread producer = new Thread(() -> {
            for (int i = 1; i  {
            for (int i = 1; i <= 10; i++) {
                try {
                    example.consume();
                    Thread.sleep(150);
                } catch (InterruptedException e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            }
        });
        
        producer.start();
        consumer.start();
        
        try {
            producer.join();
            consumer.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
    }
}

方案对比与选择

不同的解决方案有各自的优缺点，适用于不同的场景：

方案 优点 缺点 适用场景
wait()/notify() Java内置支持，无需额外依赖 容易出错，需要手动处理同步 简单的同步需求，少量线程
Lock/Condition 更灵活，支持多个条件变量 代码相对复杂，需要手动释放锁 复杂的同步需求，高性能场景
BlockingQueue 使用简单，线程安全 功能固定，不够灵活 标准的生产者-消费者场景
Semaphore 控制并发访问数量 需要配合其他同步机制 资源池，限流场景

选择建议

  • 对于简单的场景，优先考虑使用BlockingQueue
  • 需要更精细控制时，使用Lock和Condition
  • 传统方法wait()/notify()适用于兼容老代码
  • 需要控制资源访问数量时使用Semaphore

总结

生产者-消费者问题是多线程编程中的经典问题，掌握其解决方案对于Java开发者至关重要。本文介绍了四种主要的解决方案：

  1. 使用wait()和notify()方法的基础方案
  2. 使用Lock和Condition的更灵活方案
  3. 使用BlockingQueue的简洁方案
  4. 使用Semaphore的控制资源方案

最佳实践

  • 总是使用try-finally块确保锁的释放
  • 避免在同步块中执行耗时操作
  • 使用线程池管理线程，避免频繁创建销毁线程
  • 合理设置缓冲区大小，平衡生产者和消费者的速度差异
  • 使用合适的线程间通信机制，避免忙等待

通过本文的学习，您应该能够理解Java多线程编程的核心概念，并能够根据实际需求选择合适的方案解决生产者-消费者问题。多线程编程需要谨慎处理同步和线程安全问题，建议在实际项目中充分测试各种边界情况。

Java多线程编程实战：生产者-消费者问题解决方案 | Java并发教程
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