多线程设计模式解读—Producer-Consumer模式

Producer-Consumer模式可以说是设计模式的设计模式，后期我们要讲的许多模式像Thread-Pool模式，Active Object模式等都是Producer-Consumer模式的变种，同时Producer-Consumer模式中的生产者和消费者阻塞唤醒机制也可以通过Guarded Suspension模式实现。

为什么要有Producer-Consumer模式呢？

1、消除了生产者与消费者之间的代码依赖。

2、实现线程间的协调运行。生产者与消费者之间的运行速率不同，直接调用，数据处理会产生延迟，导致程序响应性下降。

这种模式我们平时应该经常接触到，小到单体应用中ThreadPoolExecutor的编码，大到架构实现中Kafka，RabbitMQ的使用。它由以下角色组成：

Producer：负责生成Product，传入Channel。

Product：由Producer生成，供Consumer使用。

Channel：Producer和Consumer之间的缓冲区，用于传递Product。

Consumer：从Channel获取Product使用。

这里我们可以使用java.util.concurrent中的BlockingQueue阻塞队列实现Channel。它可以极大地简化编程，take操作会一直阻塞直到有可用数据，put在channel满时也会阻塞直到有数据被消费。它有如下实现类，1、LinkedBlockingQueue和ArrayBlockingQueue是FIFO队列，前者基于链表实现，如果不特别指定，元素个数没有最大限制，后者基于数组实现，元素个数有最大限制。2、PriorityBlockingQueue是按优先级排序的队列，DelayQueue是一定时间后才可以take的队列。3、SynchronousQueue，没有存储功能，直接传递，因此put和take会一直阻塞，直到另一个线程准备好参与。

该模式的示例代码如下：

public class PCTest {

  public static void main(String[] args) {
    //channel，有界阻塞队列，容量100
    BlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue<>(50);
    Producer producer = new Producer(queue);
    Consumer consumer = new Consumer(queue);

    new Thread(producer).start();
    new Thread(consumer).start();
    System.out.println("生产者，消费者开始运行");
  }
}

class Consumer implements Runnable{

  private BlockingQueue queue;

  public Consumer(BlockingQueue q){
    this.queue=q;
  }

  @Override
  public void run() {
    try{
      String data;
      //获取消息，收到exit后退出
      while((data = queue.take()) !="exit"){
        Thread.sleep(20);
        System.out.println("Consume： "+data);
      }
    }catch(InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }
}

class Producer implements Runnable {

  private BlockingQueue queue;

  public Producer(BlockingQueue q){
    this.queue=q;
  }
  @Override
  public void run() {
    //生产消息
    for(int i=0; i<100; i++){
      String data = new String(""+i);
      try {
        Thread.sleep(i);
        queue.put(data);
        System.out.println("Produce："+data);
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
    //毒丸对象
    String data = "exit";
    try {
      queue.put(data);
    } catch (InterruptedException e) {
      e.printStackTrace();
    }
  }

}

1、Channel剩余空间问题：

如果消费者消费比较慢，这就会导致Channel中的Product逐渐积压，对此，我们可以使用有界阻塞队列，当队列满时，会阻塞直到消费者消费才继续生产Product。如果使用无界阻塞队列，就要考虑使用一段时间后，内存不足的情况，可以采用Semaphore信号量来控制。

2、只有一个共享队列时的锁的竞争

如果多个消费者同时消费同一个队列的时候，就会导致锁的竞争，不过BlockingQueue阻塞队列已经帮我们实现了相应的机制，使用Lock，Condition等控制多线程运行，其实就是对Guarded Suspension模式的应用。我们可以通过工作密取算法降低锁的竞争，提高可伸缩性。即每个消费者都有自己的双端队列(Deque,具体实现有ArrayDeque和LinkedBlockingDeque)，一个消费者处理完自己队列的Product时，可以从其他消费者双端队列的末尾秘密获取Product。它非常适用于既是生产者又是消费者的问题，比如爬虫，当处理一个页面后，发现有更多页面需要处理，把这些新任务放到自己队列的末尾，当自己的双端队列为空时，则从其他队列尾部获取新任务。

3、线程停止

消费者线程和生产者线程哪个先停止，一般是先停止生产者，等Channel剩余Product备份后，或者被消费者处理完后，再停止消费者。至于具体实现，我们可以采用Two-phase termination 模式，设置停止标志并且使用中断；如果你使用线程池管理，则可以调用shutdown方法，它会等队列中的所有任务完成再关闭(shuwdownNow则可能在任务执行到一半时强行关闭)；如果生产者和消费者数量不大，可以采用如上面示例中的毒丸对象，来关闭服务。