生产者消费者模型

生产者消费者模型

• 如果没有生产者消费者模型?
  我们先来看如果没有生产着消费者模型会怎么样, 假如生产者生产单位数据需要耗时10t 的时间;消费者消费数据需要1t 的时间, 那么如果我们是生产者消费者一对一的话, 消费者消费的节奏严重依赖了生产者的节奏. 消费者将有9t 的时间处于等待状态 . 这个时候就很僵硬了 , 明明消费者在剩余的9t 时间里可以去处理别的生产者产出的数据 , 那我们要怎么来设计来达到这个效果呢?

• 生产者消费者模型大体结构
  其实我们可以把生产者跟消费者解耦开来, 让生产者去依赖一个队列 , 生产者产出的消息放到队列里面,消费者再去队列里面取 . 这样我们可以对生产者和消费者的数量比进行拓展, 想要多少个消费者对应多少个生产者都可以; 比如生产者产出相对消费者消费速度慢,我们可以相对减少消费者的数量; 这样大大平衡了生产者群体和消费者群体的处理能力 .

• 举个恶心点的例子
  生产者线程的任务:拉屎; 消费者线程的任务:吃屎
  生产者拉单位屎的时间是1000ms;消费者吃掉单位屎的时间是100ms;
  如果消费者直接依赖生产者, 那么消费者只能等生产者把屎拉出来再吃掉,这个时候相当于消费者吃掉单位屎的时间是1100ms ; 如果消费者间接依赖生产者, 比如消费者依赖公共厕所, 生产者也依赖公共厕所 . 生产者把屎拉在厕所里, 消费者去厕所里面取. 这个时候我们可以增加生产者的个数. 比如 我们设置 5个生产者同时在拉屎, 然后消费者去厕所里面吃掉这些屎. 这样就能让一个消费者去处理五个生产者产出的数据, 就业是上面所说的平衡处理能力. 也达到了耦合的作用.

队列的设计

数据结构

public class MyBlockingQueue {
    MyBlockingQueue(int ca) {
        this.ca = ca;
        Entry e = new Entry<>();
        head = e;
        tail = e;
    }
}

1.采用单向链表来实现队列,则至少具有出队入队两个public的函数;
出队(take)针对消费者,入队(put)针对生产者;

private static class Entry {
      E datas;
      Entry next;
}
private Entry head;
private Entry tail;
public void put(E e) throws InterruptedException;
public E take() throws InterruptedException;
private Entry head;
private Entry tail

2.需要有个固定的容量来规定队列的长度,这里采用AtomicInteger
当队列长度等于这个容量 让生产者停止生产;
同理,当队列长度等于0,让消费者停止消费;
private AtomicInteger size = new AtomicInteger(0);
3.消费锁 takeLock
串行化多个消费者线程在该队列体现的消费动作
private final Lock takeLock = new ReentrantLock();
4.产出锁 putLock
串行化多个消费者线程在该队列体现的产出动作
private final Lock putLock = new ReentrantLock();
5.消费状态 notEmpty
提醒消费者进行消费
这个状态在消费者发现队列已经空了的时候,会执行await方法进入对象的等待池
在生产者生产完一个数数据是, 会执行signal方法,通知进入对象等待池的消费者线程进入对象的锁池进行抢锁消费
private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
6.产出状态 notFull
提醒生产者进行产出
这个状态在生产者发现队列已经满了的时候,会执行await方法进入对象的等待池
在消费者消费完一个数据时,会执行signal方法,通知进入对象等待池的生产者线程进入对象的锁池进行抢锁产出

private final Condition notFull = putLock.newCondition();

生产者跟消费者的设计

生产者消费者本身是个线程, 所以继承Thread或者实现Runable接口就好了, 然后run方法只需对队列(构造函数传入)进行不断的put/take 操作就好了

编码

MyBlockingQueue

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * @author Jiangjiaze
 * @version Id: MyBlockingQueue.java, v 0.1 2017/3/8 0:21 FancyKong Exp $$
 */
public class MyBlockingQueue {
    private final Lock takeLock = new ReentrantLock();
    private final Condition notEmpty = takeLock.newCondition();
    private final Lock putLock = new ReentrantLock();
    private final Condition notFull = putLock.newCondition();

    private Entry head;
    private Entry tail;
    private AtomicInteger size = new AtomicInteger(0);
    private int ca;

    MyBlockingQueue(int ca) {
        this.ca = ca;
        Entry e = new Entry<>();
        head = e;
        tail = e;
    }
    private static class Entry {
        E datas;
        Entry next;
    }

    public void put(E e) throws InterruptedException {
        putLock.lock();
        try {
            while (size.intValue() == ca) {
                System.out.println("厕所满了");
                notFull.await();
            }//之所以要用while是因为可能我醒过来之后,厕所有可能又满了.
            tail.datas = e;
            tail.next = new Entry<>();
            tail = tail.next;
            if(size.getAndIncrement() +1 <= ca){
                notFull.signal();
            }
        } finally {
            putLock.unlock();
        }
        //拉完要叫人来吃
        signalConsumers();

    }

    private void signalConsumers() {
        takeLock.lock();
        try {
            notEmpty.signal();
        }finally {
            takeLock.unlock();
        }
    }

    public E take() throws InterruptedException {
        takeLock.lock();
        E toReturn;
        try{
            while(size.intValue()==0){
                System.out.println("都吃完了");
                notEmpty.await();//没有元素,不能吃
            }
            toReturn = head.datas;
            head = head.next;
            if(size.getAndDecrement() -1 > 0){ //我吃完都还有剩下
                notEmpty.signal();
            }
        }finally {
            takeLock.unlock();
        }
        //吃完之后呢,我得顺便通知一下生产者继续拉
        if(toReturn != null) signalProducer();
        return toReturn;
    }

    private void signalProducer() {
        this.putLock.lock();
        try {
            notFull.signal(); // 不空啦,快来拉
        }finally {
            this.putLock.unlock();
        }
    }
}

MyConsumer

import com.fancy.prodcons.Message;

/**
 * @author Jiangjiaze
 * @version Id: MyConsumer.java, v 0.1 2017/3/8 0:57 FancyKong Exp $$
 */
public class MyConsumer extends Thread{
    public static void main(String[] args) {
        //测试的客户端
        MyBlockingQueue queue = new MyBlockingQueue<>(10);
        new MyConsumer("消费者1",queue).start();
        new MyProducer("生产者1",queue).start();
        new MyProducer("生产者2",queue).start();
        new MyProducer("生产者3",queue).start();
        /*new MyConsumer("消费者2",queue).start();
        new MyConsumer("消费者3",queue).start();
        new MyConsumer("消费者4",queue).start();
        new MyConsumer("消费者5",queue).start();
        new MyConsumer("消费者6",queue).start();
        new MyConsumer("消费者7",queue).start();*/
    }
    private MyBlockingQueue queue;
    MyConsumer(String name,MyBlockingQueue queue){
        setName(name);
        this.queue = queue;
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true)
            try {
                sleep(100); //消费需要时间100ms
                Message m  = queue.take();
                System.out.println(getName()+"吃掉了"+m);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
    }
}

MyProducer

import com.fancy.prodcons.Message;
/**
 * @author Jiangjiaze
 * @version Id: Producer.java, v 0.1 2017/3/1 17:32 FancyKong Exp $$
 */
public class MyProducer extends Thread{
    MyBlockingQueue blockingQueue;

    public MyProducer(String name,MyBlockingQueue blockingQueue) {
        this.blockingQueue = blockingQueue;
        setName(name);
    }

    @Override
    public void run() {
        while (true){
            try {
                sleep(1000); //生产需要时间1000s
                Message e = new Message((int)(Math.random()*100),"屎");
                blockingQueue.put(e);
                System.out.println(getName()+"拉了"+e);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}