手写生产者消费者模型

前言

生产者-消费者模式是一个十分经典的多线程并发协作模式，弄懂生产者-消费者问题能够让我们对并发编程的理解加深。这也是校招常见面试手撕题
所谓的生产者-消费者，实际上包含了两类线程，一种是生产者线程用于生产数据，另一种是消费者线程用于消费数据，为了解耦生产者和消费者的关系，通常会采用共享的数据区域，就像是一个仓库，生产者生产数据之后直接放置在共享数据区中，并不需要关心消费者的行为；而消费者只需要从共享数据区中获取数据，不需要关心生产者的行为。
这个共享数据区域中应该具备这样的线程间并发协作功能：

• 如果共享数据区已满的话，阻塞生产者继续生产数据；
  
• 如果共享数据区为空的话，阻塞消费者继续消费数据；
  

在实现生产者消费者问题时，可以采用三种方式：

• 使用 BlockingQueue 实现
  
• 使用 synchronized以及Object wait/notify 的消息通知机制；
  
• 使用 Lock Condition 的 await/signal 消息通知机制；
  

BlockingQueue 实现生产者-消费者

BlockingQueue 提供了可阻塞的插入和移除的方法。当队列容器已满，生产者线程会被阻塞，直到队列未满；当队列容器为空时，消费者线程会被阻塞，直至队列非空时为止。
有了这个队列，生产者就只需要关注生产，而不用管消费者的消费行为，更不用等待消费者线程执行完；消费者也只管消费，不用管生产者是怎么生产的，更不用等着生产者生产。

1. public class ProductorConsumer {
3.     private static LinkedBlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<>();
5.     public static void main(String[] args) {
6.         ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(15);
7.         for (int i = 0; i < 5; i++) {
8.             service.submit(new Productor(queue));
9.         }
10.         for (int i = 0; i < 10; i++) {
11.             service.submit(new Consumer(queue));
12.         }
13.     }
16.     static class Productor implements Runnable {
18.         private BlockingQueue queue;
20.         public Productor(BlockingQueue queue) {
21.             this.queue = queue;
22.         }
24.         @Override
25.         public void run() {
26.             try {
27.                 while (true) {
28.                     Random random = new Random();
29.                     int i = random.nextInt();
30.                     System.out.println("生产者" + Thread.currentThread().getName() + "生产数据" + i);
31.                     queue.put(i);
32.                 }
33.             } catch (InterruptedException e) {
34.                 e.printStackTrace();
35.             }
36.         }
37.     }
39.     static class Consumer implements Runnable {
40.         private BlockingQueue queue;
42.         public Consumer(BlockingQueue queue) {
43.             this.queue = queue;
44.         }
46.         @Override
47.         public void run() {
48.             try {
49.                 while (true) {
50.                     Integer element = (Integer) queue.take();
51.                     System.out.println("消费者" + Thread.currentThread().getName() + "正在消费数据" + element);
52.                 }
53.             } catch (InterruptedException e) {
54.                 e.printStackTrace();
55.             }
56.         }
57.     }
59. }

复制代码

synchronized 实现生产者-消费者

这其实也是手动实现阻塞队列的方式

1. import java.util.LinkedList;
2. import java.util.Queue;
3. import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
5. public class MyBlockingQueue {
7.     //队列
8.     private final Queue<String> myQueue = new LinkedList<>();
10.     //最大长度
11.     private static final int MAXSIZE = 20;
12.     private static final int MINSIZE = 0;
14.     //获取队列长度
15.     public int getSize() {
16.         return myQueue.size();
17.     }
19.     //生产者
20.     public void push(String str) throws Exception {
21.         //拿到对象锁
22.         synchronized (myQueue) {
24.             //如果队列满了，则阻塞
25.             while (getSize() == MAXSIZE) {
26.                 myQueue.wait();
27.             }
29.             myQueue.offer(str);
30.             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "放入元素" + str);
32.             //唤醒消费者线程，消费者和生产者自己去竞争锁
33.             myQueue.notify();
34.         }
35.     }
37.     //消费者
38.     public String pop() throws Exception {
39.         synchronized (myQueue) {
40.             String result = null;
42.             //队列为空则阻塞
43.             while (getSize() == MINSIZE) {
44.                 myQueue.wait();
45.             }
46.             //先进先出
47.             result = myQueue.poll();
49.             System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "取出了元素" + result);
50.             //唤醒生产者线程，消费者和生产者自己去竞争锁
51.             myQueue.notify();
53.             return result;
54.         }
55.     }
57.     public static void main(String args[]) {
59.         MyBlockingQueue myBlockingQueue = new MyBlockingQueue();
61.         //两个线程，都执行完成了打印
62.         CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(2, () -> {
63.             System.out.println("生产结束，下班了，消费者明天再来吧！");
64.         });
66.         //生产者线程
67.         new Thread(() -> {
68.             //50个辛勤的生产者循环向队列中添加元素
69.             try {
70.                 for (int i = 0; i < 50; i++) {
71.                     myBlockingQueue.push("——" + i);
72.                 }
73.                 //生产完了
74.                 barrier.await();
75.             } catch (Exception e) {
76.                 e.printStackTrace();
77.             }
78.         }, "生产者").start();
80.         //消费者线程
81.         new Thread(() -> {
82.             //50个白拿的消费者疯狂向队列中获取元素
83.             try {
84.                 for (int j = 0; j < 50; j++) {
85.                     myBlockingQueue.pop();
86.                 }
87.                 //消费完了
88.                 barrier.await();
89.             } catch (Exception e) {
90.                 e.printStackTrace();
91.             }
92.         }, "消费者").start();
94.     }
95. }

复制代码

Condition 实现生产者-消费者

1. public class BoundedQueue {
3.     /**
4.      * 生产者容器
5.      */
6.     private LinkedList<Object> buffer;
7.     /**
8.      * //容器最大值是多少
9.      */
10.     private int maxSize;
11.    
12.     private Lock lock;
13.    
14.     /**
15.      * 满了
16.      */
17.     private Condition fullCondition;
18.    
19.     /**
20.      * 不满
21.      */
22.     private Condition notFullCondition;
24.     BoundedQueue(int maxSize) {
25.         this.maxSize = maxSize;
26.         buffer = new LinkedList<Object>();
27.         lock = new ReentrantLock();
28.         fullCondition = lock.newCondition();
29.         notFullCondition = lock.newCondition();
30.     }
32.     /**
33.      * 生产者
34.      *
35.      * @param obj
36.      * @throws InterruptedException
37.      */
38.     public void put(Object obj) throws InterruptedException {
39.         //获取锁
40.         lock.lock();
41.         try {
42.             while (maxSize == buffer.size()) {
43.                 //满了，添加的线程进入等待状态
44.                 notFullCondition.await();
45.             }
46.             buffer.add(obj);
47.             //通知
48.             fullCondition.signal();
49.         } finally {
50.             lock.unlock();
51.         }
52.     }
54.     /**
55.      * 消费者
56.      *
57.      * @return
58.      * @throws InterruptedException
59.      */
60.     public Object get() throws InterruptedException {
61.         Object obj;
62.         lock.lock();
63.         try {
64.             while (buffer.size() == 0) {
65.                 //队列中没有数据了 线程进入等待状态
66.                 fullCondition.await();
67.             }
68.             obj = buffer.poll();
69.             //通知
70.             notFullCondition.signal();
71.         } finally {
72.             lock.unlock();
73.         }
74.         return obj;
75.     }
77. }

复制代码

生产者-消费者模式的应用场景

生产者-消费者模式一般用于将生产数据的一方和消费数据的一方分割开来，将生产数据与消费数据的过程解耦开来。
Excutor 任务执行框架

通过将任务的提交和任务的执行解耦开来，提交任务的操作相当于生产者，执行任务的操作相当于消费者。
例如使用 Excutor 构建 Web 服务器，用于处理线程的请求：生产者将任务提交给线程池，线程池创建线程处理任务，如果需要运行的任务数大于线程池的基本线程数，那么就把任务扔到阻塞队列（通过线程池+阻塞队列的方式比只使用一个阻塞队列的效率高很多，因为消费者能够处理就直接处理掉了，不用每个消费者都要先从阻塞队列中取出任务再执行）
消息中间件 MQ

双十一的时候，会产生大量的订单，那么不可能同时处理那么多的订单，需要将订单放入一个队列里面，然后由专门的线程处理订单。
这里用户下单就是生产者，处理订单的线程就是消费者；再比如 12306 的抢票功能，先由一个容器存储用户提交的订单，然后再由专门处理订单的线程慢慢处理，这样可以在短时间内支持高并发服务。
任务的处理时间比较长的情况下

比如上传附件并处理，那么这个时候可以将用户上传和处理附件分成两个过程，用一个队列暂时存储用户上传的附件，然后立刻返回用户上传成功，然后有专门的线程处理队列中的附件。
生产者-消费者模式的优点：

• 解耦：将生产者类和消费者类进行解耦，消除代码之间的依赖性，简化工作负载的管理
  
• 复用：通过将生产者类和消费者类独立开来，对生产者类和消费者类进行独立的复用与扩展
  
• 调整并发数：由于生产者和消费者的处理速度是不一样的，可以调整并发数，给予慢的一方多的并发数，来提高任务的处理速度
  
• 异步：对于生产者和消费者来说能够各司其职，生产者只需要关心缓冲区是否还有数据，不需要等待消费者处理完；对于消费者来说，也只需要关注缓冲区的内容，不需要关注生产者，通过异步的方式支持高并发，将一个耗时的流程拆成生产和消费两个阶段，这样生产者因为执行 put 的时间比较短，可以支持高并发
  
• 支持分布式：生产者和消费者通过队列进行通讯，所以不需要运行在同一台机器上，在分布式环境中可以通过 redis 的 list 作为队列，而消费者只需要轮询队列中是否有数据。同时还能支持集群的伸缩性，当某台机器宕掉的时候，不会导致整个集群宕掉
  

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