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传统解法

package JUC_练习题.生产者消费者.传统解法;import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;public class ProducerConsumerSynchronized {// 共享的缓冲区static class Buffer {private final Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();private final int capacity;public Buffer(int capacity) {this.capacity = capacity;}// 生产方法public synchronized void produce(int item) throws InterruptedException {// 如果缓冲区满了，生产者等待while (queue.size() == capacity) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 缓冲区满了，等待消费...");wait(); // 释放锁并等待}// 生产物品queue.offer(item);System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 生产了: " + item +"，当前数量: " + queue.size());// 通知消费者可以消费了notifyAll();}// 消费方法public synchronized int consume() throws InterruptedException {// 如果缓冲区空了，消费者等待while (queue.isEmpty()) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 缓冲区空了，等待生产...");wait(); // 释放锁并等待}// 消费物品int item = queue.poll();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 消费了: " + item +"，剩余数量: " + queue.size());// 通知生产者可以生产了notifyAll();return item;}}public static void main(String[] args) {Buffer buffer = new Buffer(5); // 容量为5的缓冲区// 创建2个生产者for (int i = 1; i <= 2; i++) {new Thread(() -> {try {for (int j = 1; j <= 5; j++) {buffer.produce(j);Thread.sleep(100); // 模拟生产时间}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}, "生产者" + i).start();}// 创建3个消费者for (int i = 1; i <= 3; i++) {new Thread(() -> {try {for (int j = 1; j <= 3; j++) {buffer.consume();Thread.sleep(200); // 模拟消费时间}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}, "消费者" + i).start();}}
}

好的，我们来分别对这两个经典的生产者-消费者模型的解法进行详细的流程解说。

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解法一：传统解法 (synchronized + wait/notifyAll) 的流程解说

这个方案是Java最基础的线程同步与通信方式，它依赖于每个对象都拥有的“监视器锁”。

核心机制

• 锁：Buffer 对象本身。当一个线程进入任何一个 synchronized 方法（produce 或 consume）时，它就获得了 buffer 对象的锁。
• 等待队列：每个锁对象（这里是buffer）只有一个等待队列（Wait Set）。所有调用 wait() 的线程，不管是生产者还是消费者，都会进入这同一个队列里等待。
• 通信：通过 wait() 释放锁并等待，通过 notifyAll() 唤醒等待队列中的所有线程。

生产者流程 (produce)

1. 一个生产者线程（比如“生产者1”）调用 buffer.produce()。
2. 它尝试获取 buffer 对象的锁。如果锁空闲，它就成功获得锁。此时，其他任何线程（包括其他生产者和所有消费者）都无法进入 produce 或 consume 方法。
3. 它进入 while (queue.size() == capacity) 循环检查条件。
   • 如果缓冲区满了：
     • 打印“缓冲区满了，等待消费…”。
     • 调用 wait()。此时，该生产者线程会立即释放它持有的 buffer 锁，并进入 buffer 对象的等待队列中休眠。
   • 如果缓冲区未满：
     • 跳出 while 循环。
     • 向 queue 中添加一个物品 (queue.offer(item))。
     • 打印生产信息。
     • 调用 notifyAll()。这个动作会唤醒所有正在 buffer 等待队列中休眠的线程（包括可能在等待的其他生产者和所有消费者）。
4. produce 方法执行完毕，线程退出 synchronized 方法，正常释放锁。

消费者流程 (consume)

1. 一个消费者线程（比如“消费者1”）调用 buffer.consume()。
2. 它获取 buffer 对象的锁。
3. 它进入 while (queue.isEmpty()) 循环检查条件。
   • 如果缓冲区是空的：
     • 打印“缓冲区空了，等待生产…”。
     • 调用 wait()，释放 buffer 锁并进入等待队列。
   • 如果缓冲区不空：
     • 跳出 while 循环。
     • 从 queue 中取出一个物品 (queue.poll())。
     • 打印消费信息。
     • 调用 notifyAll()，唤醒所有在等待的线程。
4. consume 方法执行完毕，线程退出 synchronized 方法，正常释放锁。

关键点与缺点

• 优点：实现简单，是Java内置的机制。
• 缺点：效率较低，存在“惊群效应” (Thundering Herd)。当一个生产者调用 notifyAll() 时，它会唤醒所有线程。但此时缓冲区可能只多了一个位置，那么被唤醒的其他生产者线程会发现条件依然不满足（还是满的），于是它们白白醒来一次，检查完条件后又得继续 wait()。这造成了不必要的线程上下文切换和CPU资源浪费。

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多条件解法

package JUC_练习题.生产者消费者.可重入锁和多条件;import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class ProducerConsumerReentrantLock {// 共享的缓冲区static class Buffer {private final Queue<Integer> queue = new LinkedList<>();private final int capacity;// ReentrantLock 和两个条件变量private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();private final Condition notFull = lock.newCondition();  // 缓冲区不满的条件private final Condition notEmpty = lock.newCondition(); // 缓冲区不空的条件public Buffer(int capacity) {this.capacity = capacity;}// 生产方法public void produce(int item) throws InterruptedException {lock.lock(); // 获取锁try {// 如果缓冲区满了，在 notFull 条件上等待while (queue.size() == capacity) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" 缓冲区满了，在notFull条件上等待...");notFull.await(); // 释放锁并等待}// 生产物品queue.offer(item);System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 生产了: " + item +"，当前数量: " + queue.size());// 通知在 notEmpty 条件上等待的消费者notEmpty.signal(); // 精确通知消费者} finally {lock.unlock(); // 释放锁}}// 消费方法public int consume() throws InterruptedException {lock.lock(); // 获取锁try {// 如果缓冲区空了，在 notEmpty 条件上等待while (queue.isEmpty()) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() +" 缓冲区空了，在notEmpty条件上等待...");notEmpty.await(); // 释放锁并等待}// 消费物品int item = queue.poll();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 消费了: " + item +"，剩余数量: " + queue.size());// 通知在 notFull 条件上等待的生产者notFull.signal(); // 精确通知生产者return item;} finally {lock.unlock(); // 释放锁}}}public static void main(String[] args) {Buffer buffer = new Buffer(5); // 容量为5的缓冲区// 创建2个生产者for (int i = 1; i <= 2; i++) {new Thread(() -> {try {for (int j = 1; j <= 5; j++) {buffer.produce(j);Thread.sleep(100); // 模拟生产时间}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}, "生产者" + i).start();}// 创建3个消费者for (int i = 1; i <= 3; i++) {new Thread(() -> {try {for (int j = 1; j <= 3; j++) {buffer.consume();Thread.sleep(200); // 模拟消费时间}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}, "消费者" + i).start();}}
}

解法二：多条件解法 (ReentrantLock + Condition) 的流程解说

这个方案是JUC（java.util.concurrent）包提供的更现代、更灵活的解决方案。

核心机制

• 锁：一个显式的 ReentrantLock 对象。通过 lock.lock() 和 lock.unlock() 来控制。
• 等待队列：不再是单一的队列。我们从一个 Lock 对象可以创建出多个 Condition 对象，每个 Condition 对象都拥有自己独立的等待队列。
  • notFull 条件：管理所有因“缓冲区已满”而等待的生产者线程。
  • notEmpty 条件：管理所有因“缓冲区为空”而等待的消费者线程。
• 通信：await() 相当于 wait()，signal() 相当于 notify()。因为我们有两个独立的条件队列，所以可以实现精确唤醒。

生产者流程 (produce)

1. 生产者线程调用 produce()。

2. 它调用 lock.lock() 获取锁。

3. 进入 try...finally 块（确保锁一定会被释放）。

4. 检查 while (queue.size() == capacity) 条件。

   • 如果缓冲区满了：
     • 打印“在notFull条件上等待…”。
     • 调用 notFull.await()。生产者线程会释放 lock 锁，并进入 notFull 自己的等待队列中休眠。
   • 如果缓冲区未满：
     • 生产物品。
     • 打印信息。
     • 关键一步：调用 notEmpty.signal()。它只会唤醒一个正在 notEmpty 条件队列中等待的线程（也就是一个消费者），而绝对不会去打扰任何在 notFull 队列里等待的其他生产者。

5. finally 块中的 lock.unlock() 被执行，释放锁。

消费者流程 (consume)

1. 消费者线程调用 consume()。

2. 调用 lock.lock() 获取锁。

3. 检查 while (queue.isEmpty()) 条件。

   • 如果缓冲区是空的：
     • 打印“在notEmpty条件上等待…”。
     • 调用 notEmpty.await()。消费者线程会释放 lock 锁，并进入 notEmpty 自己的等待队列中休眠。
   • 如果缓冲区不空：
     • 消费物品。
     • 打印信息。
     • 关键一步：调用 notFull.signal()。它只会唤醒一个正在 notFull 条件队列中等待的线程（也就是一个生产者）。

4. finally 块中的 lock.unlock() 被执行，释放锁。

关键优势：精确唤醒

• 效率高：ReentrantLock + Condition 的方案通过分离等待队列，实现了精确唤醒。生产者只唤醒消费者，消费者只唤醒生产者。这完全避免了“惊群效应”，使得线程调度非常高效。
• 逻辑清晰：代码的意图更明确，notFull.await() 就是在等“不满”的条件，notEmpty.signal() 就是在通知“不空”这个消息。
• 功能更强：ReentrantLock 和 Condition 提供了更丰富的功能，如可中断的等待、定时的等待、公平锁等。

总而言之，多条件解法是传统解法的一个全面升级，它通过更精细的控制，解决了传统解法的效率瓶颈。