设计模式之生产者消费者模式

简介

通过前几篇文章的学习，我想你已经彻底掌握了wait()方法和notify()方法如何使用以及在哪种情况下使用了，本片文章我们将讲解下设计模式中的生产者消费者模式，我将通过手写一份生产者消费者模式的代码，进行讲解。学习领悟了这种设计模式，才可以真正理解消息中间件实现的底层思想，比如Kafka、RocketMQ、RabbitMQ等。

建议收藏：

关于synchronized关键字、wait()、notify()方法的系列教程，请参考以下文章：

《Java中线程安全和线程不安全解析和示例》

《Java官方文档创建线程的两种方式及优点和缺点分析》

《Java如何正确停止线程（三种场景）》

《设计模式之生产者消费者模式》

《Java多线程wait()和notify()系列方法使用教程》

《Java多线程中notifyAll()方法使用教程》

《Java两个线程交替打印奇偶数（两种方法对比）》

《Java中synchronized实现类锁的两种方式及原理解析》

《Java中synchronized实现对象锁的两种方式及原理解析》

《Java中Synchronized的可重入性和不可中断性的分析和代码验证》

《Java多线程访问Synchronized同步方法的八种使用场景》

一.生产者消费者模式

生产者消费者模式虽然不属于常见的设计模式之一，但也是编程中一种常用的高效的编程模式。所谓设计模式，无非是前辈们实践出来的好用“套路”，我们学习之，可以少走弯路，事半功倍。

生产者就是生产数据的地方，消费者就是消费数据的地方，二者通过这种模式可以达到有效的降低耦合，将生产者和消费者分离开，从而降低边际成本、节省资源、提高工作效率。

举了通俗例子

消费者

就像是网购，作为消费者，我们不需要认识所有卖家，消费者有购买需求，打开购物APP，如果能找到需要的就下单购买即可，如过没有自己需要的，就再等几天。我们不需要跟所有的工厂保持联系，我们只需要关注我们喜欢的商品即可。

生产者

同样作为卖家，我们也不需要认识全天下的消费者，卖家把准备好的商品拍照、打包，并将商品信息同步到购物APP上即可，他不需要一个一个的去问陌生的顾客需不需要，只需要等客户咨询时服务即可。

缓冲区

购物APP就是连接生产者和消费者的缓冲区，缓冲区中的商品是卖家存入的，消费者可以在缓冲区选择和购买自己需要的商品。

有了以上基本的理解后，接下来由浅入深，我们来看一下用Java代码实现一个生产者消费者模式。

二.代码实现

1.生产者

代码描述： 生产者只需负责生产产品，然后将产品放入到缓冲队列Queue中。

解析： 生产者只需要了解产品，然后将产品送入缓存队列中去，它不需要认识消费者。代码阅读起来非常简洁，好维护。

class Producer implements Runnable {private Queue queue;public Producer(Queue queue) {this.queue = queue;}@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 100; i++) {queue.put();}}
}

2.消费者

代码描述： 消费者只需负责从缓存队列Queue中取出产品使用即可。

解析： 消费者无需了解和关联消费者，消费者只跟缓存队列相关联。这样消费者的代码也非常简洁，它无需关系生产者生产产品是何逻辑，也不用跟生产者直接联系。

class Consumer implements Runnable {private Queue queue;public Consumer(Queue queue) {this.queue = queue;}@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 100; i++) {queue.take();}}
}

3.缓存队列

代码描述： 缓存队列Queue需要提供两个接口，一个是允许生产者像队列中存放产品。另一个接口是允许消费者从队列中获取产品。

解析： 缓存队列的核心职责就两个：存和取。从设计思想来说非常简练。

put()方法： 此方法必须是同步方法，如果有多个生产者，则能保证缓存队列不会爆仓（多个线程存入产品数量大于最大值）。

为什么要加while(MAX_VALUE == list.size())判断，换成if语句可以吗？？
答案：不可以换成if语句。此行的含义是当缓存队列达到最大值上限后，禁止再存入产品。while(条件不满足){wait()}是为了防止线程被虚假唤醒。

虚假唤醒：一个线程可以从挂起状态直接变为可运行状态，即时没有被其他线程调用wait()、notify()系列方法、或者被中断、或者等待超时。

虚假唤醒很少发生，但要防范，解决方案是不停的测试线程被唤醒的条件是否满足，不满足则等待，只当满足唤醒条件时，退出循环。

在本例中，put()和take()方法都增加了防止虚假唤醒的代码，即如果条件不满足时，才可以继续存入或提取产品，否则将等待。

class Queue {//每次生产最大容量private Integer MAX_VALUE = 10;private LinkedList<String> list = new LinkedList<>();// 入库方法：达到最大值后停止生产public synchronized void put() {while (MAX_VALUE == list.size()) {try {//执行到此处时，下面的list.add()将不被执行，直到不满足循环条件wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}list.add(UUID.randomUUID().toString());System.out.println("生产出：" + list.size() + "个宝贝");notify();}// 出库：库存为0后，停止消费public synchronized void take() {while (0 == list.size()) {try {//执行到此处时，下面的list.poll()将不被执行，直到不满足循环条wait();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println("消费：" + list.poll() + "，剩余宝贝数量：" + list.size());notify();}}

4.客户端使用

客户端只需要创建出缓存队列，并且创建出生产者和消费者连个线程运行即可。在客户端使用起来也非常友好，无需复杂的配置，非常条理。这就是设计模式的作用，这也是前辈们的经验总结，所以我们要站在巨人的肩膀上。

public class ProducerConsumerPattern {public static void main(String[] args) {Queue queue = new Queue();Thread consumer = new Thread(new Consumer(queue));Thread producer = new Thread(new Producer(queue));producer.start();consumer.start();}
}

总结

本文通过wait()和notify()方法，实现和分析消费者和生产者模式，此模式优雅的实现了生产者和消费者的解耦，并且支持并发，一个生产者可以支持多个消费者。一个消费者也可以支持多个生产者。还可以合理利用系统资源，当生产者任务多时，消费者任务少时，系统可将资源多分配给生产者，反之亦然。喜欢本系列教程文章请点赞、关注和收藏。