第5章-ProducerConsumer

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5.1 模式简介

1. Producer是 “生产者” 的意思，指的是生成数据的线程。Consumer则是 “消费者” 的意思，指的是使用数据的线程。
2. 生产者安全地将数据交给消费者。虽然仅是这样看似简单的操作，但当生产者和消费者以不同的线程运行时，两者之间的处理速度差异便会引起问题。例如，消费者想要获取数据，可数据还没生成，或者生产者想要交付数据，而消费者的状态还无法接收数据等。
3. Producer-Consumer模式在生产者和消费者之间加入了一个 “桥梁角色” 。该桥梁角色用于消除线程间处理速度的差异。
4. 一般来说，在该模式中，生产者和消费者都有多个，当然生产者和消费者有时也会只有一个。当两者都只有一个时，我们称之为Pipe模式。

5.3 Producer-Consumer模式中的角色

5.3.1 Data

1. Data角色由Producer角色生成，供Consumer角色使用。

5.3.2 Producer

1. Producer角色生成Data角色，并将其传递给Channel角色。

5.3.3 Consumer

1. Consumer角色从Channel角色获取Data角色并使用。

5.3.4 Channel

1. Channel角色保管从Producer角色获取的Data角色，还会响应Consumer角色的请求，传递Data角色。为了确保安全性，Channel角色会对Producer角色和Consumer角色的访问执行互斥处理。
2. 当Producer角色将Data角色传递给Channel角色时，如果Channel角色的状态不适合接收Data角色，那么Producer角色将一直等待，直至Channel角色的状态变为可以接收为止。
3. 当Consumer角色从Channel角色获取Data角色时，如果Channel角色中没有可以传递的Data角色，那么Consumer角色将一直等待，直至Channel角色的状态变为可以传递Data角色为止。
4. 当存在多个Producer角色和Consumer角色时，为了避免各处理互相影响，Channel角色需要执行互斥处理。这样看来，Channel角色位于Producer角色和Consumer角色之间，承担用于传递Data角色的中转站、通道的任务。

5.3.5 类图

类图

5.4 拓展思路的要点

5.4.1 守护安全性的Channel角色

1. 在Producer-Consumer模式中，承担安全守护责任的是Channel角色。Channel角色执行线程间的互斥处理，确保Producer角色正确地将Data角色传递给Consumer角色。
2. 在示例程序中，Table类的put方法和take方法都使用了Guarded Suspension模式。但MakerThread类和EaterThread类并不依赖于Table类的具体实现。也就是说，MakerThread不会顾虑其他线程如何，而是直接调用put方法，同样地，EaterThread也是直接调用take方法。那些使用synchronized、wait和notifyAll等来控制多线程运行的代码，都隐藏在了Channel角色的Table类中。

5.4.2 不可以直接传递吗

• Producer-Consumer模式为了从Producer角色向Consumer角色传递Data角色，在中间设置了一个Channel角色。那么Producer角色不可以直接调用Consumer角色的方法吗？

1. 直接调用方法

• Consumer角色想要获取Data角色，通常都是因为想使用这些Data角色来执行某些处理。如果Producer角色直接调用Consumer角色的方法，那么执行处理的就不是Consumer角色的线程，而是Producer角色的线程了。
• 这样一来，执行处理花费的时间就必须由Producer角色的线程来承担，准备下一个数据的处理也会相应发生延迟。这样会使程序的响应性变得很差。
• 直接调用方法就好比糕点师做好蛋糕，直接交给客人，在客人吃完后再做下一个蛋糕一样。

2. 插入Channel角色

• 我们再来思考一下插入Channel角色这种方法。Producer角色将Data角色传递给Channel角色之后，无需等待Consumer角色对Data角色进行处理，可以立即开始准备下一个Data角色。也就是说，Producer角色可以持续不断地创建Data角色。Producer角色不会受到Consumer角色的处理进展状况的影响。
• 当然，虽然可以持续不断地创建Data角色，但也只能是在Channel角色能够储存的范围之内。如果Channel角色中没有剩余空间，那么就无法再添加Data角色了。

5.4.3 存在中间角色的意义

1. 线程的协调运行要考虑 “放在中间的东西” 。线程的互斥处理要考虑 “应该保护的东西” 。
2. 协调运行和互斥处理其实是内外统一的。为了让线程协调运行，必须执行互斥处理，以防止共享的内容被破坏。而线程的互斥处理是为了线程的协调运行才执行的。因此，协调运行和互斥处理之间有着很深的关系。

5.6 理解InterruptedException异常

5.6.1 可能会花费时间，但可以取消

1. 如果方法后面加了throws InterruptedException，则表明该方法中（或者该方法进一步调用的方法中）可能会抛出InterruptedException异常。
2. 这包含下面两层含义：

• 是 “花费时间” 的方法
• 是 “可以取消” 的方法

3. 用一句话来说就是，加了throws InterruptedException的方法可能会花费时间，但可以取消。

5.6.2 加了throws InterruptedException的方法

1. 在Java的标准类库中，加了throws InterruptedException的典型方法有如下三个：

• java.lang.object类的 wait 方法
• java.lang.Thread类的 sleep 方法
• java.lang.Thread类的 join 方法

2. 花费时间的方法

• 线程执行wait方法后，会进入等待队列，等待被notify/notifyAll。在等待期间，线程是不运行的，但需要花费时间来等待被notify/notifyAll。
• 线程执行sleep方法后，会暂停执行（暂停多长时间由参数指定）。这也是花费时间的方法。
• 线程执行join方法后，会等待指定线程终止。该方法需要花费时间，来等待指定线程终止。
  如上所述，上面这三个方法需要等待 “被notify/notifyAll、指定时间、指定线程终止”，确实是 “花费时间” 的方法。

3. 可以取消的方法

• 花费时间的处理会降低程序的响应性，所以如果存在像下面这样可以中途停止执行（取消）的方法，就非常方便了。
• 取消“wait方法等待notify/notifyAll”的处理
• 取消“在sleep方法指定的时间内停止执行”的处理
• 取消“join方法等待其他线程终止”的处理

5.6.3 sleep方法和interrupt方法

1. 假设线程A因为执行 sleep 正处于暂停状态，想要取消，只能由其他线程来执行该操作，假设为线程B；
2. 线程B可以执行 A.interrupt() 来中途停止线程A的暂停操作，变量A里保存着与线程A对应的Thread实例。
3. 这里使用的interrupt方法是Thread类的实例方法。当执行interrupt时，线程并不需要获取 Thread实例的锁。无论何时，任何线程都可以调用其他线程的interrupt方法。
4. interrupt 方法被调用后，正在sleep的线程会终止暂停状态，抛出InterruptedException异常。此处抛出异常的是线程A。

5.6.4 wait方法和interrupt方法

1. 在线程A使用wait进行等待时，也可以使用 A.interrupt() 来中途停止线程A的等待操作。

2. 但在wait的情况下，我们需要注意锁的问题。线程在进入等待队列时，已经释放了锁。当正在wait的线程被调用interrupt方法时（即线程被取消执行时），该线程会在重新获取锁之后，抛出InterruptedException异常。在获取锁之前，线程不会抛出InterruptedException异常。

3. 从让正在wait的线程重新运行这一点来说，notify方法和interrupt方法的作用有些类似，但仍有以下不同：

   方法	方法来源	唤醒对象	是否需要获取实例的锁
   notify/notifyAll	java.lang.Object	实例等待队列中的线程	是
   interrupt	java.lang.Thread	指定线程	否

5.6.5 join方法和interrupt方法

1. 当线程使用join方法等待其他线程终止时，也可以使用interrupt方法进行取消。由于调用join方法时无需获取锁，所以与使用sleep暂停运行时一样，线程的控制权也会立即跳到catch语句块中。

5.6.6 interrupt 方法只是改变中断状态

1. 有人也许会认为“当调用interrupt方法时，调用对象的线程就会抛出InterruptedException异常”，其实这是一种误解。实际上，interrupt方法只是改变了线程的中断状态而已。
2. 所谓中断状态（interrupted status），是一种用于表示线程是否被中断的状态。
3. 假设当线程Alice执行了sleep、wait、join而停止运行时，线程Bobby调用了Alice的interrupt 方法。这时，线程Alice的确会抛出InterruptedException异常。但这其实是因为sleep、wait、join方法内部对线程的中断状态进行了检查，进而抛出了InterruptedException异常。
4. 假设线程Alice执行了1+2之类的计算或a=123之类的赋值操作。这时，即使Bobby 调用Alice的interrupt 方法，Alice也不会抛出InterruptedException异常，而是继续执行处理。不仅仅是计算和赋值，for语句、while语句、if语句及方法调用都不会检查中断状态。
5. 如果没有调用sleep、wait、join等方法，或者没有编写检查线程的中断状态并抛出InterruptedException 异常的代码，那么InterruptedException异常就不会被抛出。

5.6.7 isInterrupt方法和Thread.interrupted方法

1. isInterrupted是Thread类的实例方法，用于检查指定线程的中断状态。该方法不会改变中断状态。
2. Thread.interrupted是Thread类的静态方法，用于检查并清除当前线程的中断状态。只有这个方法才可以清除中断状态。Thread.interrupted的操作对象是当前线程（即线程本身），所以该方法并不能用于清除其他线程的中断状态。

5.7 java.util.concurrent包和Producer-Consumer模式

5.7.1 java.util.concurrent包中的队列

类图

1. BlockingQueue 接口——阻塞队列

   • BlockingQueue接口表示的是在达到合适的状态之前线程一直阻塞（wait）的队列。
   • BlockingQueue是java.util.Queue接口的子接口，拥有offer方法和poll方法等。但实际上，实现 “阻塞” 功能的方法是BlockingQueue接口固有的put方法和take方法。
   • 由于BlockingQueue是一个接口，所以在实际使用时，需要使用BlockingQueue的实现类。下面列举的就是BlockingQueue的实现类。

2. ArrayBlockingQueue 类——基于数组的BlockingQueue

   • ArrayBlockingQueue类表示的是元素个数有最大限制的BlockingQueue。当数组满了但仍要put数据时，或者数组为空但仍要take数据时，线程就会阻塞。

3. LinkedBlockingQueue 类——基于链表的BlockingQueue

   • LinkedBlockingQueue 类表示的是元素个数没有最大限制的BlockingQueue。该类基于链表，如果没有特别指定，元素个数将没有最大限制。只要还有内存，就可以put数据。

4. PriorityBlockingQueue 类——带有优先级的BlockingQueue

   • PriorityBlockingQueue类表示的是带有优先级的BlockingQueue。数据的 “优先级”是依据Comparable接口的自然排序，或者构造函数的Comparator接口决定的顺序指定的。

5. DelayQueue类—在一定时间之后才可以 take 的BlockingQueue

   • DelayQueue类表示的是用于储存 java.util.concurrent.Delayed对象的队列。当从该队列take时，只有在各元素指定的时间到期后才可以take。另外，到期时间最长的元素将先被take。

6. SynchronousQueue 类——直接传递的BlockingQueue

   • SynchronousQueue类表示的是BlockingQueue，该BlockingQueue用于执行由Producer角色到Consumer角色的 “直接传递”。如果Producer角色先put，在Consumer角色take之前，Producer角色的线程将一直阻塞。相反，如果Consumer角色先take，在Producer角色put之前，Consumer角色的线程将一直阻塞。

7. ConcurrentLinkedQueue类——元素个数没有最大限制的线程安全队

   • ConcurrentLinkedQueue类并不是BlockingQueue的实现类，它表示的是元素个数没有最大限制的线程安全队列。在ConcurrentLinkedQueue中，内部的数据结构是分开的，线程之间互不影响，所以也就无需执行互斥处理。根据线程情况的不同，有时程序的性能也会有所提高。

5.7.2 使用java.util.concurrent.Exchanger类交换缓冲区

Timethreads图