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阻塞佇列實現生產者消費者樣式

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來源:ImportNew – 劉志軍

生產者消費者樣式是併發、多執行緒編程中經典的設計樣式,生產者和消費者通過分離的執行工作解耦,簡化了開發樣式,生產者和消費者可以以不同的速度生產和消費資料。這篇文章我們來看看什麼是生產者消費者樣式,這個問題也是多執行緒面試題中經常被提及的。如何使用阻塞佇列(Blocking Queue)解決生產者消費者樣式,以及使用生產者消費者樣式的好處。

真實世界中的生產者消費者樣式

生產者和消費者樣式在生活當中隨處可見,它描述的是協調與協作的關係。比如一個人正在準備食物(生產者),而另一個人正在吃(消費者),他們使用一個共用的桌子用於放置盤子和取走盤子,生產者準備食物,如果桌子上已經滿了就等待,消費者(那個吃的)等待如果桌子空了的話。這裡桌子就是一個共享的物件。在Java Executor框架自身實現了生產者消費者樣式它們分別負責添加和執行任務。

生產者消費者樣式的好處

它的確是一種實用的設計樣式,常用於編寫多執行緒或併發代碼。下麵是它的一些優點:

  1. 它簡化的開發,你可以獨立地或併發的編寫消費者和生產者,它僅僅只需知道共享物件是誰

  2. 生產者不需要知道誰是消費者或者有多少消費者,對消費者來說也是一樣

  3. 生產者和消費者可以以不同的速度執行

  4. 分離的消費者和生產者在功能上能寫出更簡潔、可讀、易維護的代碼

多執行緒中的生產者消費者問題

生產者消費者問題是一個流行的面試題,面試官會要求你實現生產者消費者設計樣式,以至於能讓生產者應等待如果佇列或籃子滿了的話,消費者等待如果佇列或者籃子是空的。這個問題可以用不同的方式來現實,經典的方法是使用wait和notify方法在生產者和消費者執行緒中合作,在佇列滿了或者佇列是空的條件下阻塞,Java5的阻塞佇列(BlockingQueue)資料結構更簡單,因為它隱含的提供了這些控制,現在你不需要使用wait和nofity在生產者和消費者之間通信了,阻塞佇列的put()方法將阻塞如果佇列滿了,佇列take()方法將阻塞如果佇列是空的。在下部分我們可以看到代碼例子。

使用阻塞佇列實現生產者消費者樣式

阻塞佇列實現生產者消費者樣式超級簡單,它提供開箱即用支持阻塞的方法put()和take(),開發者不需要寫困惑的wait-nofity代碼去實現通信。BlockingQueue 一個接口,Java5提供了不同的現實,如ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue,兩者都是先進先出(FIFO)順序。而ArrayLinkedQueue是自然有界的,LinkedBlockingQueue可選的邊界。下麵這是一個完整的生產者消費者代碼例子,對比傳統的wait、nofity代碼,它更易於理解。

import java.util.concurrent.BlockingQueue;

import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;

import java.util.logging.Level;

import java.util.logging.Logger;

 

public class ProducerConsumerPattern {

 

    public static void main(String args[]){

 

     //Creating shared object

     BlockingQueue sharedQueue = new LinkedBlockingQueue();

 

     //Creating Producer and Consumer Thread

     Thread prodThread = new Thread(new Producer(sharedQueue));

     Thread consThread = new Thread(new Consumer(sharedQueue));

 

     //Starting producer and Consumer thread

     prodThread.start();

     consThread.start();

    }

 

}

 

//Producer Class in java

class Producer implements Runnable {

 

    private final BlockingQueue sharedQueue;

 

    public Producer(BlockingQueue sharedQueue) {

        this.sharedQueue = sharedQueue;

    }

 

    @Override

    public void run() {

        for(int i=0; i<10; i++){

            try {

                System.out.println(“Produced: ” + i);

                sharedQueue.put(i);

            } catch (InterruptedException ex) {

                Logger.getLogger(Producer.class.getName()).log(Level.SEVERE, null, ex);

            }

        }

    }

 

}

 

//Consumer Class in Java

class Consumer implements Runnable{

 

    private final BlockingQueue sharedQueue;

 

    public Consumer (BlockingQueue sharedQueue) {

        this.sharedQueue = sharedQueue;

    }

 

    @Override

    public void run() {

        while(true){

            try {

                System.out.println(“Consumed: “+ sharedQueue.take());

            } catch (InterruptedException ex) {

                Logger.getLogger(Consumer.class.getName()).log(Level.SEVERE, null, ex);

            }

        }

    }

 

}

 

Output:

Produced: 0

Produced: 1

Consumed: 0

Produced: 2

Consumed: 1

Produced: 3

Consumed: 2

Produced: 4

Consumed: 3

Produced: 5

Consumed: 4

Produced: 6

Consumed: 5

Produced: 7

Consumed: 6

Produced: 8

Consumed: 7

Produced: 9

Consumed: 8

Consumed: 9

 

你可以看到生產者執行緒生產數和消費者執行緒消費它以FIFO的順序,因為阻塞佇列只允許元素以FIFO的方式來訪問。以上就是使用阻塞佇列解決生產者消費者問題的全部,我確信它比wait/notify更簡單,但你要兩者都準備如果你是去面試話。

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