Java 多線程經典實戰：生產者-消費者模式完整演示

經典並發模式：生產者-消費者問題的 Java 實現

生產者-消費者模式是多線程編程中最基礎、最經典的協作模型。本文通過一個完整的示例，演示如何使用 wait()/notify()、synchronized 關鍵字實現線程間的數據同步與通信。

核心知識點回顧

• Thread.start() vs run()：啟動新線程 vs 普通方法調用
• Thread.sleep()：線程休眠，釋放 CPU 不釋放鎖
• synchronized：內置鎖，保證原子性與可見性
• wait()/notify()：釋放鎖並進入等待隊列 / 喚醒等待線程，必須在 synchronized 塊中調用

類結構設計

三個核心類協作：

• ObjectData：共享數據對象，封裝 count 變量及讀寫操作，內部使用 synchronized 保證線程安全。
• ProductThread (生產者)：循環遞增 count，寫入後 notify() 喚醒消費者，隨後 wait() 釋放鎖等待下一輪。
• ConsumerThread (消費者)：wait() 等待生產者通知，讀取 count 後 notify() 喚醒生產者。

完整代碼實現

共享數據對象

package com.gloomyfish.jse.thirdteen;

public class ObjectData {
    private int count = 0;

    public synchronized void read() {
        System.out.println("read count : " + count);
        System.out.println();
    }

    public synchronized void write() {
        count++;
        System.out.println("write count : " + count);
    }
}

消費者線程 (讀線程)

package com.gloomyfish.jse.thirdteen;

public class ConsumerThread extends Thread {
    private ObjectData data;

    public ConsumerThread(ObjectData data) {
        this.data = data;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                synchronized (data) {
                    data.wait();           // 釋放鎖，進入等待隊列
                    data.read();           // 讀取數據
                    data.notify();         // 喚醒生產者
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

生產者線程 (寫線程)

package com.gloomyfish.jse.thirdteen;

public class ProductThread extends Thread {
    private ObjectData data;

    public ProductThread(ObjectData data) {
        this.data = data;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true) {
            try {
                synchronized (data) {
                    data.write();              // 寫入數據 (count++)
                    Thread.sleep(3000);        // 模擬生產耗時
                    data.notify();             // 喚醒消費者
                    data.wait();               // 釋放鎖，等待消費者消費完畢
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

測試啟動類

public class MainTest {
    public static void main(String[] args) {
        ObjectData data = new ObjectData();           // 單一共享對象
        new ConsumerThread(data).start();             // 啟動消費者
        new ProductThread(data).start();              // 啟動生產者
    }
}

執行流程解析

1. 主線程創建唯一 ObjectData 實例，分別傳給生產者和消費者。
2. 生產者先獲取鎖，執行 write()，sleep(3s) 模擬耗時，調用 notify() 唤醒消費者，隨後 wait() 釋放鎖進入等待。
3. 消費者被喚醒，獲取鎖，執行 read()，調用 notify() 唤醒生產者，循環回到 wait() 等待下一輪。
4. 雙方通過 ObjectData 這把「鎖」實現嚴格的輪流執行：生產→消費→生產→消費…

關鍵注意點

• wait/notify 必須配對使用：生產者 notify() 後必須 wait()，否則會連續生產導致邏輯錯誤。
• 同步鎖對象必須一致：此處均使用 data 對象作為鎖，保證互斥。
• while(true) 死循環：演示用；生產環境需引入關閉標誌位優雅停止。
• spurious wakeup (虛假喚醒)：生產環境建議用 while(condition) wait() 防禦。

總結

本例展示了 Java 基礎並發工具 (synchronized、wait/notify) 如何協作解決經典同步問題。實際開發中，更推薦使用 java.util.concurrent 包下的高級組件（如 BlockingQueue、Semaphore、Condition），代碼更簡潔、健壯且性能更優。