java 多线程并发系列之 生产者消费者模式的两种实现

Posted 2020-10-06 芬芬是个乖宝宝

在并发编程中使用生产者和消费者模式能够解决绝大多数并发问题。该模式通过平衡生产线程和消费线程的工作能力来提高程序的整体处理数据的速度。

为什么要使用生产者和消费者模式

在线程世界里，生产者就是生产数据的线程，消费者就是消费数据的线程。在多线程开发当中，如果生产者处理速度很快，而消费者处理速度很慢，那么生产者就必须等待消费者处理完，才能继续生产数据。同样的道理，如果消费者的处理能力大于生产者，那么消费者就必须等待生产者。为了解决这种生产消费能力不均衡的问题，所以便有了生产者和消费者模式。

什么是生产者消费者模式

生产者消费者模式是通过一个容器来解决生产者和消费者的强耦合问题。生产者和消费者彼此之间不直接通讯，而通过阻塞队列来进行通讯，所以生产者生产完数据之后不用等待消费者处理，直接扔给阻塞队列，消费者不找生产者要数据，而是直接从阻塞队列里取，阻塞队列就相当于一个缓冲区，平衡了生产者和消费者的处理能力。

这个阻塞队列就是用来给生产者和消费者解耦的。纵观大多数设计模式，都会找一个第三者出来进行解耦，如工厂模式的第三者是工厂类，模板模式的第三者是模板类。在学习一些设计模式的过程中，如果先找到这个模式的第三者，能帮助我们快速熟悉一个设计模式。

 

产者/消费者模型描述如下：

有一个或多个生产者生产某种类型的数据，并放置缓冲区（可以是数组也可以是队列等数据结构）中；

有一个消费者可以从缓冲区中取数据，每次取一项；

系统保证避免对缓冲区的重复操作，也就是说在任何时候只有一个主体（生产者或消费者）可以访问缓冲区。

问题要确保缓冲区不溢出，即当缓冲区满时，生成者不会继续向其中添加数据；当缓冲区空时，消费者不会从中移走数据。

 

生产者消费者模式是并发、多线程编程中经典的设计模式，生产者和消费者通过分离的执行工作解耦，简化了开发模式，生产者和消费者可以以不同的速度生产和消费数据。

 

真实世界中的生产者消费者模式

生产者和消费者模式在生活当中随处可见，它描述的是协调与协作的关系。比如一个人正在准备食物（生产者），而另一个人正在吃（消费者），他们使用一个共用的桌子用于放置盘子和取走盘子，生产者准备食物，如果桌子上已经满了就等待，消费者（那个吃的）等待如果桌子空了的话。这里桌子就是一个共享的对象。

生产者与消费者模型中，要保证以下几点：
1 同一时间内只能有一个生产者生产
2 同一时间内只能有一个消费者消费
3 生产者生产的同时消费者不能消费
4 消费者消费的同时生产者不能生产
5 共享空间空时消费者不能继续消费
6 共享空间满时生产者不能继续生产

 

 

我们看这样一个例子：

生产者：  往一个公共的盒子里面放苹果 

消费者：从公共的盒子里面取苹果

盒子：盒子的容量不能超过5

 

 

 

下面我们用两者方法分别实现这样一个场景。 

方法一：   wait()  和   notify()   通信方法实现

 

package 生产者消费者;

/** 生产者与消费者模型中，要保证以下几点：
 * 1 同一时间内只能有一个生产者生产
 * 2 同一时间内只能有一个消费者消费
 * 3 生产者生产的同时消费者不能消费
 * 4 消费者消费的同时生产者不能生产
 * 5 共享空间空时消费者不能继续消费
 * 6 共享空间满时生产者不能继续生产
 * 
 * */

public class PublicBox { 
    private int apple = 0;     
    public synchronized void increace() { 
        while (apple == 5) { 
            try { 
                wait(); 
            } catch (InterruptedException e) { 
                e.printStackTrace(); 
            } 
        } 
        apple++;
        System.out.println("生产了一个");
        notify(); 
    }       
    public synchronized void decreace() { 
        while (apple ==0) { 
            try { 
                wait(); 
            } catch (InterruptedException e) { 
                e.printStackTrace(); 
            } 
        } 
        apple--; 
        System.out.println("消费了一个");
        notify(); 
    } 
   
    public static void main(String []args)
       {
              PublicBox box= new PublicBox();
              
              Consumer con= new Consumer(box);
              Producer pro= new Producer(box);
              
              Thread t1= new Thread(con);
              Thread t2= new Thread(pro);
              
              t1.start();
              t2.start();
           
       }
}


//生产者代码（定义十次）：
class Producer implements Runnable { 
    private PublicBox box; 
    
    public Producer(PublicBox box) { 
        this .box = box; 
    } 
    
    @Override 
    public void run() {     
        for( int i=0;i<10;i++)  
        {
            box.increace();     
        } 
    } 
}

//消费者代码（同样十次）：
class Consumer implements Runnable { 
    private PublicBox box; 
    
    public Consumer(PublicBox box) {     
        this .box = box; 
    } 
    @Override 
    public void run() { 
         for( int i=0;i<10;i++)
        {
             box.decreace(); 
         } 
    } 
}

 

 

输出如下：

 

生产了一个
生产了一个
生产了一个
生产了一个
消费了一个
消费了一个
消费了一个
消费了一个
生产了一个
生产了一个
生产了一个
生产了一个
生产了一个
消费了一个
消费了一个
消费了一个
消费了一个
消费了一个
生产了一个
消费了一个

 

---

 

方法二：采用阻塞队列实现生产者消费者模式

 

阻塞队列实现生产者消费者模式超级简单，它提供开箱即用支持阻塞的方法put()和take()，开发者不需要写困惑的wait-nofity代码去实现通信。BlockingQueue 一个接口，Java5提供了不同的现实，如ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue，两者都是先进先出（FIFO）顺序。而ArrayLinkedQueue是自然有界的，LinkedBlockingQueue可选的边界。下面这是一个完整的生产者消费者代码例子，对比传统的wait、nofity代码，它更易于理解。

 

package 生产者消费者2;

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

public class PublicBoxQueue {
      
        public static void main(String []args)
       {
            //定义了一个大小为5的盒子
               BlockingQueue publicBoxQueue= new LinkedBlockingQueue(5); 
              
              Thread pro= new Thread(new Producer(publicBoxQueue));
              Thread con= new Thread(new Consumer(publicBoxQueue));
              
              pro.start();
              con.start();
       }
       
}

//生产者
class Producer implements Runnable {
        private final BlockingQueue proQueue;
        
        public Producer(BlockingQueue proQueue)
       {
               this .proQueue =proQueue;
       }
        @Override
        public void run() {
               // TODO Auto-generated method stub  
               for (int i=0;i<10;i++)
              {
                      try {
                           System. out .println("生产者生产的苹果编号为 : " +(i+1));  //放入十个苹果编号 为1到10
                           proQueue .put(i+1);  
                            //Thread.sleep(3000);
                     } catch (InterruptedException  e) {
                            // TODO: handle exception
                           e.printStackTrace();
                     }                
              }     
       }   
       
}


//消费者
class Consumer implements Runnable {
        private final BlockingQueue conQueue;   
        
        public Consumer(BlockingQueue conQueue)
       {
               this .conQueue =conQueue;
       }
        @Override
        public void run() {
               // TODO Auto-generated method stub
               for (int i=0;i<10;i++)
              {
                      try {
                           System. out .println("消费者消费的苹果编号为 ：" +conQueue .take());
                           //Thread. sleep(3000);  //在这里sleep是为了看的更加清楚些
                           
                     } catch (InterruptedException e) {
                            // TODO: handle exception
                           e.printStackTrace();
                     }
              }
       }
       
       
}

 

 

结果如下：

 

生产者生产的苹果编号为 : 1
生产者生产的苹果编号为 : 2
生产者生产的苹果编号为 : 3
消费者消费的苹果编号为 ：1
消费者消费的苹果编号为 ：2
消费者消费的苹果编号为 ：3
生产者生产的苹果编号为 : 4
生产者生产的苹果编号为 : 5
消费者消费的苹果编号为 ：4
消费者消费的苹果编号为 ：5
生产者生产的苹果编号为 : 6
生产者生产的苹果编号为 : 7
生产者生产的苹果编号为 : 8
生产者生产的苹果编号为 : 9
生产者生产的苹果编号为 : 10
消费者消费的苹果编号为 ：6
消费者消费的苹果编号为 ：7
消费者消费的苹果编号为 ：8
消费者消费的苹果编号为 ：9
消费者消费的苹果编号为 ：10

 

生产者消费者模式的好处

它的确是一种实用的设计模式，常用于编写多线程或并发代码。下面是它的一些优点：

1.  它简化的开发，你可以独立地或并发的编写消费者和生产者，它仅仅只需知道共享对象是谁
2. 生产者不需要知道谁是消费者或者有多少消费者，对消费者来说也是一样
3.  生产者和消费者可以以不同的速度执行
4.  分离的消费者和生产者在功能上能写出更简洁、可读、易维护的代码