【多线程案例】阻塞队列，实现生产者消费者模型

阻塞队列（BlockingQueue）

阻塞队列是多线程代码中比较常用的一种数据结构。是一种特殊的队列，带有阻塞特性。

为何说是一种特殊的队列？

1.线程安全

2.带有阻塞特性

• 如果队列为空，继续出队列，就会发生阻塞。阻塞到其他线程往队列里添加元素为止。
• 如果队列为满，继续入队列，就会发生阻塞。阻塞到其他线程从队列中取走元素为止。

• 意义：可以用来实现"生产者消费者模型"。生产者消费者模型通俗的来讲，生产者负责生产东西，并将东西放到阻塞队列中，然后消费者就会从阻塞队列中获取内容，如果生产者生产的慢，消费者就得等待 (即消费者从空的队列中获取元素就得等待)；相反如果生产者生产的快，生产者就可以休息速度慢下来 (即生产者从满的队列中添加元素就会阻塞等待)。

在java中标准库中针对zuseduilie提供两种实现方式：

基于数组：

BlockingQueue queue = new ArrayBlockingQueue<>(5);

基于链表：

BlockingQueue queue = new LinkedBlockingDeque<>();

方法：

put()      入队列 带有阻塞性质

take()    出队列 带有阻塞性质

实现基于数组(循环队列)的阻塞队列：

//实现阻塞队列
class myBlockingQueue{

    //锁对象
    private Object object = new Object();

    //队列采用循环队列  数组
    private String[] data = new String[1000];

    //队头元素位置 加volatile防止内存可见性问题
    private volatile int head = 0;
    //队尾元素位置
    private volatile int tail = 0;
    //有效长度
    private volatile int size = 0;

    //带有阻塞性质的入队操作put
    public void put(String str) throws InterruptedException {
        synchronized(object) {
            //队列满时
            if(size==data.length) {
                //阻塞等待 等待另一个线程调用notify方法唤醒
                object.wait();
            }
            //队列不满 入队列
            data[tail] = str;
            tail++;
            size++;
            object.notify();

            //由于数组循环使用 也防止索引出界
            if(tail==data.length) {
                tail = 0;
            }
        }

    }

    //带有阻塞性质的出队列操作
    public String take() throws InterruptedException {
        synchronized(object) {
            //队列为空
            if(size==0) {
                //阻塞等待
                object.wait();
            }
            //队列不为空
            String tmp = data[head];
            head++;
            if(head==data.length) {
                head = 0;
            }
            size--;
            //唤醒
            object.notify();
            return tmp;
        }

    }

}

代码实现中的一些细节：

• 指向队头，队尾元素，size在代码中可能会出现内存可见性问题，要加volatile。
• 入队，出队方法都存在着可能会影响线程安全的读，修改操作，最好给整个方法加锁。
• 虽然在一个方法中有wait和notify,但是一个队列满队列和空队列不会同时出现。并且使用wait进行阻塞等待时，是由另一个线程中的notify唤醒的。
• 抛异常可以是方法后跟throws,也可以是try...catch...,但这里应该使用throws,原因是try...catch...执行后程序不会停止，还是继续向下执行，对应代码就是入队操作判断队列满时，如果使用try...catch...，程序出现异常后，向下再接着执行，是会覆盖掉队列中其他未执行的内容的，而使用throws若程序出现异常，会抛出异常后整个方法就结束了，interrupt唤醒了wait。
• 使用wait的时候，往往都是使用while作为条件判定的方式，java源码解释也是推荐while。目的就是为了让wait唤醒之后还能再确认一次，是否条件仍然满足。
• 一个队列，空和满只能同时出现一种，take和put只有一边能阻塞。如果put阻塞了，其他线程继续调用put也都会阻塞，只有靠take唤醒，如果take阻塞了，其他线程继续调用take也都会阻塞，只能靠put唤醒。

实现生产者消费者模型

生产者 - 消费者模型（ Producer-consumer problem） 是一个非常经典的多线程并发协作的模型，在分布式系统里非常常见。

这个模型由两类线程和一个缓冲区组成来组成

• 生产者线程：生产数据，并把数据放在这个队列里面
• 缓冲区：存放生产者的数据的地方即阻塞队列
• 消费者线程：从队列里面取数据，消费数据

运行流程

• 生产者和消费者在同一时间段内共用同一个存储空间
• 生产者往存储空间中添加产品
• 消费者从存储空间中取走产品
• 当存储空间为空时，消费者阻塞，当存储空间满时，生产者阻塞。
   

实现"生产者消费者模型"好处：

（1）解耦合

        两个模块之间联系越紧密，耦合就越高。尤其对于分布式系统来说，十分有意义。

（2）削峰填谷

        峰：指短时间内请求多。

        比如服务器和客户端之间的请求与响应，当用户量请求增大时，服务器也会受牵连，甚至于            将服务器弄崩溃给挂了，耦合性较高，如果两者之间用一种数据结构如队列存储请求，就不论客户            端用户量请求有多大时，服务器仍然可以按照自己的速度去处理请求。

消息队列：当把阻塞队列封装成单独的服务器程序，部署到特定的机器上，这个时候就把这个队列称为"消息队列"。

实现生产者消费者模型代码：

//实现阻塞队列
class myBlockingQueue{

    //锁对象
    private Object object = new Object();

    //队列采用循环队列  数组
    private String[] data = new String[1000];

    //头指针 加volatile防止内存可见性问题
    private volatile int head = 0;
    //尾指针
    private volatile int tail = 0;
    //有效长度
    private volatile int size = 0;

    //带有阻塞性质的入队操作put
    public void put(String str) throws InterruptedException {
        synchronized(object) {
            //队列满时
            while (size==data.length) {
                //阻塞等待 等待另一个线程调用notify方法唤醒
                object.wait();
            }
            //队列不满 入队列
            data[tail] = str;
            tail++;
            size++;
            object.notify();

            //由于数组循环使用 也防止索引出界
            if(tail==data.length) {
                tail = 0;
            }
        }

    }

    //带有阻塞性质的出队列操作
    public String take() throws InterruptedException {
        synchronized(object) {
            //队列为空
            while (size==0) {
                //阻塞等待
                object.wait();
            }
            //队列不为空
            String tmp = data[head];
            head++;
            if(head==data.length) {
                head = 0;
            }
            size--;
            //唤醒
            object.notify();
            return tmp;
        }

    }
}



//借助阻塞队列 实现生产者消费者模型
public class test {
    public static void main(String[] args) {
        MyBlockingQueue queue = new MyBlockingQueue();

        //生产者模型
        Thread t1 = new Thread(()->{
            int num = 1;
            while(true) {
                try {
                    queue.put(num);
                    System.out.println("生产者生产"+num);
                    num++;
                    //Thread.sleep(1000);     //生产者有节奏生产
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });

        //消费者模型
        Thread t2  =new Thread(()->{
            while(true) {
                try {
                    int tmp = queue.take();
                    System.out.println("消费者消费"+tmp);
                    Thread.sleep(1000);     //消费者有节奏消费
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
    }
}