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。