Java设计模式—生产者消费者模式（阻塞队列实现）

生产者消费者模式是并发、多线程编程中经典的设计模式，生产者和消费者通过分离的执行工作解耦，简化了开发模式，生产者和消费者可以以不同的速度生产和消费数据。这篇文章我们来看看什么是生产者消费者模式，这个问题也是多线程面试题中经常被提及的。如何使用阻塞队列（Blocking Queue）解决生产者消费者模式，以及使用生产者消费者模式的好处。

真实世界中的生产者消费者模式

生产者和消费者模式在生活当中随处可见，它描述的是协调与协作的关系。比如一个人正在准备食物（生产者），而另一个人正在吃（消费者），他们使用一个共用的桌子用于放置盘子和取走盘子，生产者准备食物，如果桌子上已经满了就等待，消费者（那个吃的）等待如果桌子空了的话。这里桌子就是一个共享的对象。在Java Executor框架自身实现了生产者消费者模式它们分别负责添加和执行任务。

生产者消费者模式的好处

它的确是一种实用的设计模式，常用于编写多线程或并发代码。下面是它的一些优点：

1. 它简化的开发，你可以独立地或并发的编写消费者和生产者，它仅仅只需知道共享对象是谁
2. 生产者不需要知道谁是消费者或者有多少消费者，对消费者来说也是一样
3. 生产者和消费者可以以不同的速度执行
4. 分离的消费者和生产者在功能上能写出更简洁、可读、易维护的代码

多线程中的生产者消费者问题

生产者消费者问题是一个流行的面试题，面试官会要求你实现生产者消费者设计模式，以至于能让生产者应等待如果队列或篮子满了的话，消费者等待如果队列或者篮子是空的。这个问题可以用不同的方式来现实，经典的方法是使用wait和notify方法在生产者和消费者线程中合作，在队列满了或者队列是空的条件下阻塞，Java5的阻塞队列（BlockingQueue）数据结构更简单，因为它隐含的提供了这些控制，现在你不需要使用wait和nofity在生产者和消费者之间通信了，阻塞队列的put()方法将阻塞如果队列满了，队列take()方法将阻塞如果队列是空的。在下部分我们可以看到代码例子。

使用阻塞队列实现生产者消费者模式

阻塞队列实现生产者消费者模式超级简单，它提供开箱即用支持阻塞的方法put()和take()，开发者不需要写困惑的wait-nofity代码去实现通信。BlockingQueue 一个接口，Java5提供了不同的现实，如ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue，两者都是先进先出（FIFO）顺序。而ArrayLinkedQueue是自然有界的，LinkedBlockingQueue可选的边界。下面这是一个完整的生产者消费者代码例子，对比传统的wait、nofity代码，它更易于理解。

注意：

使用take()函数，如果队列中没有数据，则线程wait释放CPU，而poll()则不会等待，直接返回null；同样，空间耗尽时offer()函数不会等待，直接返回false，而put()则会wait，因此如果你使用while(true)来获得队列元素，千万别用poll()，CPU会100%的.

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