Java的设计模式（7）— 生产者-消费者模式

　　生产者-消费者模式是一个经典的多线程设计模式，它为多线程间的协作提供了良好的解决方案。这个模式中，通常有两类线程，即若干个生产者线程和若干个消费者线程。生产者线程负责提交用户请求，消费者线程则负责具体处理生产者提交的任务。生产者和消费者之间通过共享内存缓存区进行通信，这样就避免了生产者和消费者直接通信，从而将生产者和消费者解耦。不管是生产高于消费，还是消费高于生产，缓存区的存在可以确保系统的正常运行。这个模式有以下几种角色：

生产者：用于提交用户的请求，提取用户任务，装入内存缓冲区。
消费者：在内存缓冲区中提取并处理任务。
内存缓冲区：缓存生产者提交的任务或数据，供消费者使用。
任务：生产者向内存缓冲区提交的数据结构。
Main：使用消费者和生产者的客户端。

　　其中BlockingQueue充当了共享内存缓冲区，用于维护任务或数据队列（PCData对象）。PCData表示一个生产任务，或者相关任务的数据，生产者对象和消费者对象均引用一个BlockingQueue实例。生产者负责创建PCData对象，并将它加入队列中，消费者从这个队列中获取PCData对象。下面举个例子：

　　首先生产者线程实现如下，它构建PCData对象，并放入BlockingQueue队列中

public class Producer implements Runnable {

    private volatile boolean isRunning = true;

    private BlockingQueue<PCData> queue;                        // 内存缓存区

    private static AtomicInteger count = new AtomicInteger();   // 总数，原子操作

    private static final int SLEEPTIME = 1000;

    public Producer(BlockingQueue<PCData> queue) {

        this.queue = queue;

    }

    @Override

    public void run() {

        PCData data = null;

        Random r = new Random();

        System.out.println("start producer id = "+Thread.currentThread().getId());

        try {

            while(isRunning){

                Thread.sleep(SLEEPTIME);

                data = new PCData(count.incrementAndGet());    // 构造任务数据

                System.out.println(data+" is put into queue");

                if(!queue.offer(data,2,TimeUnit.SECONDS)){     // 提交到数据缓存区中

                    System.out.println("failed to put data:"+data);

                }

            }

        } catch (InterruptedException e) {

            e.printStackTrace();

            Thread.currentThread().interrupt();

        }

    }

    public void stop(){

        isRunning = false;

    }

}

　　对应的消费者实现如下，它从BlockingQueue队列中取出PCData对象，并进行相应的计算。

public class Consumer implements Runnable {

    private BlockingQueue<PCData> queue;

    private static final int SLEEPTIME = 1000;

    public Consumer(BlockingQueue<PCData> queue) {

        this.queue = queue;

    }

    @Override

    public void run() {

        System.out.println("start Consumer id = "+Thread.currentThread().getId());

        Random r = new Random();

        try {

        while(true){

            PCData data  =this.queue.take();

            if(null!=data){

                int re = data.getData() * data.getData();

                System.out.println(MessageFormat.format("{0}*{1}={2}", data.getData(),data.getData(),re));

                Thread.sleep(r.nextInt(SLEEPTIME));

            }

        }

        } catch (InterruptedException e) {

            e.printStackTrace();

            Thread.currentThread().interrupt();

        }

    }

}

　　PCData对象作为生产者和消费者之间的共享数据模型，定义如下：

public class PCData {

    private final int intData;

    public PCData(int d){

        intData = d;

    }

    public PCData(String d){

        intData = Integer.valueOf(d);

    }

    public int getData(){

        return intData;

    }

    @Override

    public String toString() {

        return "intData:" + intData;

    }

}

　　在主函数中，创建三个生产者和三个消费者，并让他们协作运行，在主函数实现中，定义LinkedBlockingQueue作为BlockingQueue队列的实现类。

public class Main {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        BlockingQueue<PCData> queue = new LinkedBlockingQueue<PCData>();

        Producer p1 = new Producer(queue);

        Producer p2 = new Producer(queue);

        Producer p3 = new Producer(queue);

        Consumer c1 = new Consumer(queue);

        Consumer c2 = new Consumer(queue);

        Consumer c3 = new Consumer(queue);

        ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();

        service.execute(p1);

        service.execute(p2);

        service.execute(p3);

        service.execute(c1);

        service.execute(c2);

        service.execute(c3);

        Thread.sleep(10000);

        p1.stop();

        p2.stop();

        p3.stop();

        Thread.sleep(3000);

        service.shutdown();

    }

}

　　生产者-消费者模式很好地对生产者线程和消费者线程进行解耦，优化了系统整体结构。同时，由于缓冲作用，允许生产者和消费者线程存在执行上的性能差异，从一定程度上解决了性能瓶颈对系统性能的影响。

巴特西

Java的设计模式（7）— 生产者-消费者模式

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