【JAVA】设计模式之生产者消费者模式的使用分析

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生产者消费者模式并不是GOF提出的23种设计模式之一，23种设计模式都是建立在面向对象的基础之上的，但其实面向过程的编程中也有很多高效的编程模式，生产者消费者模式便是其中之一，它是我们编程过程中最常用的一种设计模式。
生产者消费者模式是为了解决哪一类问题而产生的呢？在实际的软件开发过程中，经常会碰到如下场景：某个模块负责产生数据，这些数据由另一个模块来负责处理（此处的模块是广义的，可以是类、函数、线程、进程等）。产生数据的模块，就形象地称为生产者；而处理数据的模块，就称为消费者。单单抽象出生产者和消费者，还够不上是生产者／消费者模式。该模式还需要有一个缓冲区处于生产者和消费者之间，作为一个中介。生产者把数据放入缓冲区，而消费者从缓冲区取出数据。

生产者消费者的关系如下图所示：
  

生产者消费者模式的原理描述：
（1）生产者仅仅在仓储未满时候生产，仓满则停止生产。
（2）消费者仅仅在仓储有产品时候才能消费，仓空则等待。
（3）当消费者发现仓储没产品可消费时候会通知生产者生产。
（4）生产者在生产出可消费产品时候，应该通知等待的消费者去消费。
下面通过一个例子描述下生产者消费者模式的使用。 
1、第一个文件ProductStorage.java

/**
 * 库存商品管理类 
 */
public class ProductStorage {

    /**
     * 最大库存量
     */
    public static final int Maximum = 100;
    
    /**
     * 当前库存量
     */
    public static int Currentimum = 50;
    
    /**
     * 库存管理实例
     */
    private static ProductStorage instance;
    
    private ProductStorage(){}
    
    /**
     * 获取单例
     * @return
     */
    public static ProductStorage getInstance(){
        if(instance == null){
            instance = new ProductStorage();
        }
        return instance;
    }
    
    /**
     * 生产产品
     */
    public synchronized void product(){
        while(Currentimum >= Maximum/2){
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        Currentimum++;
        System.out.println("当前线程："+Thread.currentThread().getName() + "--生产者生产了一个商品，当前库存量："+ Currentimum);
        notifyAll();
    }
    
    /**
     * 消费产品
     */
    public synchronized void consume(){
        while(Currentimum <= 0){
            try {
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        Currentimum--;
        System.out.println("当前线程："+Thread.currentThread().getName() + "--消费者消费了一个商品，当前库存量："+ Currentimum);
        notifyAll();
    }
}

2、第二个文件Producter.java

/**
 * 商品生产者模型
 */
public class Producter implements Runnable {
    
    @Override
    public void run(){
        while(true){
            try {
                Thread.sleep(500);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            ProductStorage.getInstance().product();
        }
    }
}

3、第三个文件Consumer.java
 

/**
 * 商品消费者模型
 */
public class Consumer implements Runnable{

    @Override
    public void run() {
        while(true){
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            ProductStorage.getInstance().consume();
        }
        
    }
}

4、第四个文件TestMain.java
 

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class TestMain {

    public static void main(String [] args){
        startProductThread();
        startConsumThread();
    }
    
    /**
     * 开启生产者线程
     */
    public static void startProductThread(){
        System.out.println("--生产者线程执行开始--");
        int pThreadSize = 10;
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(pThreadSize);
        for(int i=0;i<pThreadSize;i++){
            Producter productThread = new Producter();
            Thread thread = new Thread(productThread);
            pool.execute(thread);
        }
        System.out.println("--生产者线程执行结束--");
    }
    
    /**
     * 开启消费者线程
     */
    public static void startConsumThread(){
        System.out.println("--消费者线程执行开始--");
        int pThreadSize = 10;
        ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(pThreadSize);
        for(int i=0;i<pThreadSize;i++){
            Consumer consumeThread = new Consumer();
            Thread thread = new Thread(consumeThread);
            pool.execute(thread);
        }
        System.out.println("--消费者线程执行结束--");
    }
}

5、生产者消费者模式的优点：
（1）将生产模块和消费模块分隔开，从而降低了程序的耦合，便于程序的扩展和维护。
（2）将生产模块和消费模块的分隔，可使生产模块的运行不再依赖消费模块的执行，由同步改为异步执行并且都可支持并发，从而大大提高了程序的效率。
（3）生成者生产的数据存放在缓冲区中，消费者可以按照自己的逻辑来取出数据处理，从而可以有效避免消费模块任务执行负载不均的问题。