生产者-消费者模式及其应用

生产者-消费者模式是一个经典的多线程并发协作模式，对并发编程有着重要的意义。理解生产者-消费者问题有助于加深对并发编程的理解。

生产者-消费者模式包含两类线程：生产者线程用于生产数据，消费者线程用于消费数据。为了解耦生产者和消费者的关系，通常采用共享的数据区域，就像是一个仓库。生产者生产数据后直接放置在共享数据区中，不需要关心消费者的行为；而消费者只需要从共享数据区中获取数据，不需要关心生产者的行为。

共享数据区域应该具备以下线程间并发协作功能：

1. 如果共享数据区已满，阻塞生产者继续生产数据；
2. 如果共享数据区为空，阻塞消费者继续消费数据。

在实现生产者消费者问题时，可以采用三种方式：

1. 使用BlockingQueue实现；
2. 使用synchronized以及Object wait/notify的消息通知机制；
3. 使用Lock Condition的await/signal消息通知机制。

BlockingQueue实现生产者-消费者：

BlockingQueue提供了可阻塞的插入和移除的方法。当队列容器已满，生产者线程会被阻塞，直到队列未满；当队列容器为空时，消费者线程会被阻塞，直至队列非空时为止。有了这个队列，生产者只需要关注生产，而不用管消费者的消费行为，更不用等待消费者线程执行完；消费者也只管消费，不用管生产者是怎么生产的，更不用等着生产者生产。

示例代码：

public class ProductorConsumer {
    // 省略部分代码
}

synchronized实现生产者-消费者：

这其实也是手动实现阻塞队列的方式。示例代码：

import java.util.LinkedList;
import java.util.Queue;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class MyBlockingQueue {
    // 省略部分代码
}

Condition实现生产者-消费者：

示例代码：

public class BoundedQueue {
    // 省略部分代码
}

生产者-消费者模式的应用场景：

生产者-消费者模式一般用于将生产数据的一方和消费数据的一方分割开来，将生产数据与消费数据的过程解耦开来。

应用场景包括：

Excutor任务执行框架

通过将任务的提交和任务的执行解耦开来，提交任务的操作相当于生产者，执行任务的操作相当于消费者。

消息中间件MQ

双十一的时候，会产生大量的订单，需要将订单放入一个队列里面，然后由专门的线程处理订单。

任务的处理时间比较长的情况下

比如上传附件并处理，可以将用户上传和处理附件分成两个过程，用一个队列暂时存储用户上传的附件，然后立刻返回用户上传成功，然后有专门的线程处理队列中的附件。

生产者-消费者模式的优点：

• 解耦：将生产者类和消费者类进行解耦，消除代码之间的依赖性，简化工作负载的管理。
• 复用：通过将生产者类和消费者类独立开来，对生产者类和消费者类进行独立的复用与扩展。
• 调整并发数：由于生产者和消费者的处理速度是不一样的，可以调整并发数，给予慢的一方多的并发数，来提高任务的处理速度。
• 异步：对于生产者和消费者来说能够各司其职，生产者只需要关心缓冲区是否还有数据，不需要等待消费者处理完；对于消费者来说，也只需要关注缓冲区的内容，不需要关注生产者，通过异步的方式支持高并发。
• 支持分布式：生产者和消费者通过队列进行通讯，所以不需要运行在同一台机器上，在分布式环境中可以通过redis的list作为队列，而消费者只需要轮询队列中是否有数据。同时还能支持集群的伸缩性，当某台机器宕掉的时候，不会导致整个集群宕掉。

关于作者：

本文已收录于作者的个人博客：
https://www.seven97.top
。公众号：seven97，欢迎关注~