多线程系列(十二) -生产者和消费者模型

一、简介

在 Java 多线程编程中，还有一个非常重要的设计模式，它就是：生产者和消费者模型。

这种模型可以充分发挥 cpu 的多线程特性，通过一些平衡手段能有效的提升系统整体处理数据的速度，减轻系统负载，提高程序的效率和稳定性，同时实现模块之间的解耦。

那什么是生产者和消费者模型呢？

简单的说，生产者和消费者之间不直接进行交互，而是通过一个缓冲区来进行交互，生产者负责生成数据，然后存入缓冲区；消费者则负责处理数据，从缓冲区获取。

大致流程图如下：

对于最简单的生产者和消费者模型，总结下来，大概有以下几个特点：

• 缓冲区为空的时候，消费者不能消费，会进入休眠状态，直到有新数据进入缓冲区，再次被唤醒
• 缓冲区填满的时候，生产者不能生产，也会进入休眠状态，直到缓冲区有空间，再次被唤醒

生产者和消费者模型作为一个非常重要的设计模型，它的优点在于：

• 解耦：生产者和消费者之间不直接进行交互，即使生产者和消费者的代码发生变化，也不会对对方产生影响
• 消峰：例如在某项工作中，假如 A 操作生产数据的速度很快，B 操作处理速度很慢，那么 A 操作就必须等待 B 操作完成才能结束，反之亦然。如果将 A 操作和B 操作进行解耦，中间插入一个缓冲区，这样 A 操作将生产的数据存入缓冲区，就接受了；B 操作从缓冲区获取数据并进行处理，平衡好 A 操作和 B 操作之间的缓冲区，可以显著提升系统的数据处理能力

生产者和消费者模型的应用场景非常多，例如 Java 的线程池任务执行框架、消息中间件 rabbitMQ 等，因此掌握生产者和消费者模型，对于开发者至关重要。

下面我们通过几个案例，一起来了解一下生产者和消费者设计模型的实践思路。

二、代码实践

2.1、利用 wait / notify 方法实现思路

生产者和消费者模型，最简单的一种技术实践方案就是基于线程的 wait() / notify() 方法，也就是通知和唤醒机制，可以将两个操作实现解耦，具体代码实践如下。

/**
 * 缓冲区容器类
 */
public class Container {
   

    /**
     * 缓冲区最大容量
     */
    private int capacity = 3;

    /**
     * 缓冲区
     */
    private LinkedList<Integer> list = new LinkedList<Integer>();


    /**
     * 添加数据到缓冲区
     * @param value
     */
    public synchronized void add(Integer value) {
   
        if(list.size() >= capacity){
   
            System.out.println("生产者："+ Thread.currentThread().getName()+"，缓冲区已满,生产者进入waiting...");
            try {
   
                // 进入等待状态
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
   
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println("生产者："+ Thread.currentThread().getName()+"，add：" + value);
        list.add(value);

        //唤醒其他所有处于wait()的线程，包括消费者和生产者
        notifyAll();
    }


    /**
     * 从缓冲区获取数据
     */
    public synchronized void get() {
   
        if(list.size() == 0){
   
            System.out.println("消费者："+ Thread.currentThread().getName()+"，缓冲区为空,消费者进入waiting...");
            try {
   
                // 进入等待状态
                wait();
            } catch (InterruptedException e) {
   
                e.printStackTrace();
            }
        }
        // 从头部获取数据，并移除元素
        Integer val = list.removeFirst();
        System.out.println("消费者："+ Thread.currentThread().getName()+"，value：" + val);

        //唤醒其他所有处于wait()的线程，包括消费者和生产者
        notifyAll()