并发设计模式之生产者-消费者模式

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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。在生产者-消费者模式中，通常有两类线程，即若干个生产者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冲区进行通信

如图展示了生产者-消费者模式的基本结构。3个生产者线程将在任务提交到共享内存缓冲区，消费者线程并不直接与生产者线程通信，而在共享内存缓冲区中获取任务，并进行处理

生产者-消费者模式中的内存缓冲区的主要功能是数据在多线程间的共享。此外，通过该缓冲区，可以缓解生产者和消费者间的性能差

生产者-消费者模式的核心组件是共享内存缓冲区，它作为生产者和消费者间的通信桥梁，避免了生产者和消费者的直接通信，从而将生产者和消费者进行解耦。生产者不需要知道消费者的存在，消费者也不需要知道生产者的存在。同时，由于内存缓冲区的存在，允许生产者和消费者在执行速度上存在时间差，无论是生产者在某一局部时间内速度高于消费者，或者消费者在局部时间内高于生产者，都可以通过共享内存缓冲区得到缓解，确保系统正常运行

生产者-消费者模式的主要角色有：生产者、消费者、内存缓冲区、任务、Main

生产者：用于提交用户请求，提取用户任务，并装入内存缓冲区
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：生产者想内存缓冲区提交的数据结构
Main：使用生产者和消费者的客户端

上图显示了生产者-消费者模式一种实现的具体结构

其中，BlockingQueue充当了共享内存缓冲区，用户维护任务或数据队列（PCData对象）。PCData对象表示一个生产任务，或者相关任务的数据。生产者对象和消费者对象均引用同一个BlockingQueue实例。生产者负责创建PCData对象，并将它加入BlockingQueue中，消费者则从BlockingQueue队列中获取PCData

下面实现一个基于生产者-消费者模式的求证书平方的并行程序

PCData作为生产者和消费者之间的共享数据模型，定义如下

package com.joyhwong;public final class PCData {private final int intData;public PCData(int intData) {this.intData = intData;}public PCData(String d) {this.intData = Integer.valueOf(d);}public int getData() {return intData;}@Overridepublic String toString() {return "data: " + intData;}
}

生产者线程的实现如下

package com.joyhwong;import java.util.Random;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;public class Producer implements Runnable {private volatile boolean isRunning = true;private BlockingQueue<PCData> queue;private static AtomicInteger count = new AtomicInteger();private static final int SLEEPTIME = 1000;public Producer(BlockingQueue<PCData> queue) {this.queue = queue;}@Overridepublic void run() {PCData data = null;Random random = new Random();System.out.println("start producer id = " + Thread.currentThread().getId());try {while (isRunning) {Thread.sleep(random.nextInt(SLEEPTIME));data = new PCData(count.incrementAndGet());System.out.println(data + " is put into queue");if (!queue.offer(data, 2, TimeUnit.SECONDS)) {System.out.println("failed to put data: " + data);}}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();Thread.currentThread().interrupt();}}public void stop() {isRunning = false;}
}

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

package com.joyhwong;import java.text.MessageFormat;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;public class Consumer implements Runnable {private BlockingQueue<PCData> queue;private static final int SLEEPTIME = 1000;public Consumer(BlockingQueue<PCData> queue) {this.queue = queue;}@Overridepublic void run() {System.out.println("Start Consumer id = " + Thread.currentThread().getId());Random random = new Random();try {while (true) {PCData data = 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(random.nextInt(SLEEPTIME));}} } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();Thread.currentThread().interrupt();}}
}

在主函数中，创建3个生产者和3个消费者，并让它们协作运行。在主函数的实现中，定义LinkedBlockingQueue作为BlockingQueue的实现类

package com.joyhwong;import java.text.MessageFormat;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;public class Consumer implements Runnable {private BlockingQueue<PCData> queue;private static final int SLEEPTIME = 1000;public Consumer(BlockingQueue<PCData> queue) {this.queue = queue;}@Overridepublic void run() {System.out.println("Start Consumer id = " + Thread.currentThread().getId());Random random = new Random();try {while (true) {PCData data = 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(random.nextInt(SLEEPTIME));}} } catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();Thread.currentThread().interrupt();}}
}

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

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