计算机毕设网站代做,住房和城乡建设部网站标准下载,网站建设用哪种语言,室内设计师在哪里找生产者消费者模式 如何用 BlockingQueue 实现生产者消费者模式如何用 Condition「条件变量」 实现生产者消费者模式如何用 wait/notify 实现生产者消费者模式扩展 生产者消费者模式#xff0c;生产者消费者模式是多线程编程中非常常见的一种设计模式#xff0c;它被用于解决生… 生产者消费者模式 如何用 BlockingQueue 实现生产者消费者模式如何用 Condition「条件变量」 实现生产者消费者模式如何用 wait/notify 实现生产者消费者模式扩展 生产者消费者模式生产者消费者模式是多线程编程中非常常见的一种设计模式它被用于解决生产者和消费者之间的协作问题。生产者负责生产数据消费者负责处理数据通过合理的协作可以实现高效的数据处理。在生产者-消费者模式中有两类线程生产者线程和消费者线程。它们之间通过共享一个缓冲区或队列来协作生产者将数据放入缓冲区消费者从缓冲区取出数据并进行处理。生产者-消费者模式的主要目的是实现生产者和消费者之间的解耦使它们之间可以独立的工作从而提高系统的性能和可维护性。
在现实世界中我们把生产商品的一方称为生产者把消费商品的一方称为消费者有时生产者的生产速度特别快但消费者的消费速度跟不上俗称“产能过剩”又或是多个生产者对应多个消费者时大家可能会手忙脚乱。如何才能让大家更好地配合呢
这时在生产者和消费者之间就需要一个中介来进行调度于是便诞生了生产者消费者模式。
在生产者-消费者模式模式中以下基本要素
缓冲区或队列用于存储生产者生成的数据以及消费者待处理的数据。缓冲区可以是有界的固定容量或无界的容量动态增长。生产者负责生成数据并将数据放入缓冲区。生产者线程通常会等待如果缓冲区已满则等待消费者取走数据后继续生产。消费者负责从缓冲区取出数据并进行处理。消费者线程通常会等待如果缓冲区为空则等待生产者放入数据后继续消费。互斥锁用于保护对缓冲区的访问确保同时只有一个线程可以访问缓冲区。条件变量用于实现线程的等待和唤醒机制。生产者线程可以等待缓冲区不满而消费者线程可以等待缓冲区不空。 使用生产者消费者模式通常需要在两者之间增加一个阻塞队列作为媒介有了媒介之后就相当于有了一个缓冲平衡了两者的能力整体的设计如图所示最上面是阻塞队列右侧的 1 是生产者线程生产者在生产数据后将数据存放在阻塞队列中左侧的 2 是消费者线程消费者获取阻塞队列中的数据。
而中间的 3 和 4 分别代表生产者消费者之间互相通信的过程因为无论阻塞队列是满还是空都可能会产生阻塞阻塞之后就需要在合适的时机去唤醒被阻塞的线程。
那么什么时候阻塞线程需要被唤醒呢
有两种情况。第一种情况是当消费者看到阻塞队列为空时开始进入等待这时生产者一旦往队列中放入数据就会通知所有的消费者唤醒阻塞的消费者线程。另一种情况是如果生产者发现队列已经满了也会被阻塞而一旦消费者获取数据之后就相当于队列空了一个位置这时消费者就会通知所有正在阻塞的生产者进行生产这便是对生产者消费者模式的简单介绍。
如何用 BlockingQueue 实现生产者消费者模式
我们接下来看如何用 wait/notify/Condition/BlockingQueue 实现生产者消费者模式先从最简单的 BlockingQueue 开始讲起 如代码所示首先创建了一个 ArrayBlockingQueue 类型的 BlockingQueue命名为 queue 并将它的容量设置为 10其次创建一个简单的生产者while(true) 循环体中的queue.put() 负责往队列添加数据然后创建两个生产者线程并启动同样消费者也非常简单while(true) 循环体中的 queue.take() 负责消费数据同时创建两个消费者线程并启动。
为了代码简洁并突出设计思想代码里省略了 try/catch 检测我们不纠结一些语法细节。以上便是利用 BlockingQueue 实现生产者消费者模式的代码。虽然代码非常简单但实际上 ArrayBlockingQueue 已经在背后完成了很多工作比如队列满了就去阻塞生产者线程队列有空就去唤醒生产者线程等。
如何用 Condition「条件变量」 实现生产者消费者模式
BlockingQueue 实现生产者消费者模式看似简单背后却暗藏玄机我们在掌握这种方法的基础上仍需要掌握更复杂的实现方法。我们接下来看如何在掌握了 BlockingQueue 的基础上利用 Condition 实现生产者消费者模式它们背后的实现原理非常相似相当于我们自己实现一个简易版的 BlockingQueue 如代码所示首先定义了一个队列变量 queue 并设置最大容量为 16其次定义了一个 ReentrantLock 类型的 Lock 锁并在 Lock 锁的基础上创建两个 Condition一个是 notEmpty另一个是 notFull分别代表队列没有空和没有满的条件最后声明了 put 和 take 这两个核心方法。
因为生产者消费者模式通常是面对多线程的场景需要一定的同步措施保障线程安全所以在 put 方法中先将 Lock 锁上然后在 while 的条件里检测 queue 是不是已经满了如果已经满了则调用 notFull 的 await() 阻塞生产者线程并释放 Lock如果没有满则往队列放入数据并利用 notEmpty.signalAll() 通知正在等待的所有消费者并唤醒它们。最后在 finally 中利用 lock.unlock() 方法解锁把 unlock 方法放在 finally 中是一个基本原则否则可能会产生无法释放锁的情况。
下面再来看 take 方法take 方法实际上是与 put 方法相互对应的同样是通过 while 检查队列是否为空如果为空消费者开始等待如果不为空则从队列中获取数据并通知生产者队列有空余位置最后在 finally 中解锁。
这里需要注意我们在 take() 方法中使用 while( queue.size() 0 ) 检查队列状态而不能用 if( queue.size() 0 )。为什么呢大家思考这样一种情况因为生产者消费者往往是多线程的我们假设有两个消费者第一个消费者线程获取数据时发现队列为空便进入等待状态因为第一个线程在等待时会释放 Lock 锁所以第二个消费者可以进入并执行 if( queue.size() 0 )也发现队列为空于是第二个线程也进入等待而此时如果生产者生产了一个数据便会唤醒两个消费者线程而两个线程中只有一个线程可以拿到锁并执行 queue.remove 操作另外一个线程因为没有拿到锁而卡在被唤醒的地方而第一个线程执行完操作后会在 finally 中通过 unlock 解锁而此时第二个线程便可以拿到被第一个线程释放的锁继续执行操作也会去调用 queue.remove 操作然而这个时候队列已经为空了所以会抛出 NoSuchElementException 异常这不符合我们的逻辑。
而如果用 while 做检查当第一个消费者被唤醒得到锁并移除数据之后第二个线程在执行 remove 前仍会进行 while 检查发现此时依然满足 queue.size() 0 的条件就会继续执行 await 方法避免了获取的数据为 null 或抛出异常的情况。
如何用 wait/notify 实现生产者消费者模式
最后我们再来看看使用 wait/notify 实现生产者消费者模式的方法实际上实现原理和Condition 是非常类似的它们是兄弟关系 如代码所示最主要的部分仍是 take 与 put 方法我们先来看 put 方法put 方法被 synchronized 保护while 检查队列是否为满如果不满就往里放入数据并通过 notifyAll() 唤醒其他线程。同样take 方法也被 synchronized 修饰while 检查队列是否为空如果不为空就获取数据并唤醒其他线程。
使用这个 MyBlockingQueue 实现的生产者消费者代码如下 以上就是三种实现生产者消费者模式的讲解其中第一种 BlockingQueue 模式实现比较简单但其背后的实现原理在第二种、第三种实现方法中得以体现第二种、第三种实现方法本质上是我们自己实现了 BlockingQueue 的一些核心逻辑供生产者与消费者使用。
扩展
上面的示例只是一个基本的生产者-消费者模式实际应用中可能会有更复杂的场景和需求。以下是一些扩展和注意事项
多生产者和多消费者
在实际应用中可能会有多个生产者和多个消费者同时操作缓冲区。这时需要考虑如何进行线程间的协调和同步以避免竞争条件和死锁。
优雅的线程终止
在生产者-消费者模式中需要考虑如何优雅地终止生产者和消费者线程。一种常见的做法是使用特殊的标志来通知线程退出。
不定期的生产和消费
有时生产者和消费者的速度是不定期的可能会导致缓冲区溢出或者空闲。这时可以考虑动态调整缓冲区的大小或者采用其他策略来处理。
错误处理和异常处理
在实际应用中可能会出现各种错误和异常情况需要考虑如何处理这些情况以保证系统的稳定性和健壮性。
生产者-消费者模式是多线程编程中常见的一种模式用于解决生产者和消费者之间的协作问题。通过合理的线程协作和同步机制可以实现高效的数据处理。在实际应用中需要根据具体场景和需求来设计和实现生产者-消费者模式同时考虑线程安全、错误处理和性能优化等方面的问题。
