生产者-消费者模型

news2024/10/6 6:00:18

目录

1、生产者-消费者模型是什么

2、Java中的实现

3、应用于消息队列

3.1 引入依赖

3.2 rabbitmq网站新建队列queue

3.3 模块中配置application.yml

3.4 生产者实现类

3.5 单元测试，发送msg到rabbitmq的队列(my_simple_queue)

3.6 消费者实现类

3.7 从rabbitmq队列(my_simple_queue)消费数据

3.8 队列的配置类

小结

本文是RabbitMQ初入门-CSDN博客的进一步拓展，着重介绍该模型在消息队列（如rabbitmq）中的应用。

1、生产者-消费者模型是什么

首先，生产者-消费者模型是一种常见的并发编程模型，用于解决多线程或多进程环境下的数据共享与同步问题。在这个模型中，生产者负责生成数据，并将数据放入一个共享的缓冲区中，而消费者则从缓冲区中取出数据进行处理。

图片来源：Java多线程之生产者消费者模式详解_java_脚本之家

生产者消费者模式是通过一个容器来解决生产者和消费者的强耦合问题。生产者和消费者彼此之间不直接通讯，而通过阻塞队列来进行通讯，所以生产者生产完数据之后不用等待消费者处理，直接扔给阻塞队列，消费者不找生产者要数据，而是直接从阻塞队列里取，阻塞队列就相当于一个缓冲区，平衡了生产者和消费者的处理能力。
这个阻塞队列就是用来给生产者和消费者解耦的。纵观大多数设计模式，都会找一个第三者出来进行解耦，如工厂模式的第三者是工厂类，模板模式的第三者是模板类。在学习一些设计模式的过程中，如果先找到这个模式的第三者，能帮助我们快速熟悉一个设计模式。（引自链接：Java多线程之生产者和消费者模型 - 简书）

生产者-消费者模型通常包含以下几个关键元素：

  1. 生产者：负责生成数据并放入缓冲区。生产者不断地生成数据，直到达到某个条件才停止。一般情况下，生产者在向缓冲区放入数据之前需要先检查缓冲区是否已满，如果已满则等待。

  2. 消费者：负责从缓冲区中取出数据并进行处理。消费者不断地从缓冲区中取出数据，直到达到某个条件才停止。一般情况下，消费者在从缓冲区取出数据之前需要先检查缓冲区是否为空，如果为空则等待。

  3. 缓冲区：作为生产者和消费者之间的共享数据结构，用于存储生产者生成的数据。缓冲区的大小限制了生产者和消费者之间的数据传输量，它可以是一个队列、堆栈、循环缓冲区等。

  4. 同步机制：用于保护缓冲区的访问，避免生产者和消费者同时对缓冲区进行读写操作而导致的数据不一致性。常见的同步机制包括互斥锁（mutex）、条件变量（condition variable）、信号量（semaphore）等。

生产者-消费者模型的核心思想是通过合理地协调生产者和消费者的工作，实现数据的有序生成和处理。通过使用适当的同步机制，可以保证生产者和消费者之间的互斥访问和协调，避免数据竞争和死锁等并发问题。

在Java中，生产者-消费者模型通常是通过多线程来实现的。生产者线程负责生成数据，将数据放入共享的缓冲区中；消费者线程则从缓冲区中取出数据进行处理。为了保证生产者和消费者之间的同步和互斥，可以使用Java提供的同步机制，例如synchronized关键字、ReentrantLock类、Condition接口等。

2、Java中的实现

首先，可以把每个生产者和消费者各看成是一个线程，做如下定义：

生产者

public class ProduceThread extends  Thread{
    private IKFC kfc;
    public ProduceThread(String name,IKFC kfc) {
        super(name);
        this.kfc = kfc;
    }

    @Override
    public void run() {
       while(true){
           try {
               kfc.produce(getName());
               sleep(200);
           } catch (InterruptedException e) {
               e.printStackTrace();
           }
       }
    }
}

消费者

public class ConsumerThread extends  Thread{
    private IKFC kfc;
    public ConsumerThread(String name, IKFC kfc) {
        this.kfc = kfc;
    }

    @Override
    public void run() {
       while(true){
           try {
               kfc.consume(getName());
               sleep(300);
           } catch (InterruptedException e) {
               e.printStackTrace();
           }
       }
    }
}

然后，可以通过synchronized方法, wait(), notifyAll()实现

这种方法等于使用this自带的锁来进行同步，具体办法是将入队和出队设成syncrhronized。生产者会在入队时（得到锁之后）检查队列是否为满，如果满了，就释放掉锁并进入阻塞（wait())。等到队列有了新的空位，消费者通过notifyAll()唤醒所有线程，此时被唤醒的生产者再次检查队列，发现了新的位置，就可以再继续将产品入队了，入队完后，生产者会用notifyAll()通知消费者去消费。相对的，消费者也会在出队时等待直至队列不为空，出队完通知。（引自链接：java生产消费者模式 java实现生产者消费者模型_mob6454cc6c8549的技术博客_51CTO博客）

实现类代码：

public class KFCImpl implements IKFC {

    private Queue<Food> queue = new LinkedBlockingQueue<>();
    private final int MAX_SIZE = 10;

    @Override
    public synchronized void produce(String name) throws InterruptedException {
        if (queue.size() >= MAX_SIZE) {
            System.out.println("[生产者" + name + "] KFC生成达到上限，停止生成......");
            wait();
        } else {
            Food food = new Food("上校鸡块");
            queue.add(food);
            System.out.println("[生产者" + name + "] 生成一个:" + food.getName() + ",KFC有食物:" + queue.size() + "个");

            //唤醒等待的线程来消费
            notifyAll();
        }
    }

    @Override
    public synchronized void consume(String name) throws InterruptedException {
        if (queue.isEmpty()) {
            System.out.println("[消费者" + name + "] KFC食物已空，消费者停止消费......");
            wait();
        } else {
            Food food = queue.poll();
            System.out.println("[消费者" + name + "] 消费一个:" + food.getName() + ",KFC有食物:" + queue.size() + "个");

            //唤醒等待的线程来消费
            notifyAll();
        }
    }
}

运行测试

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        IKFC kfc = new KFCImpl();

        Thread p1= new ProduceThread("A",kfc);
        Thread p2= new ProduceThread("B",kfc);
        Thread p3= new ProduceThread("C",kfc);

        Thread c1 = new ConsumerThread("X",kfc);
        Thread c2 = new ConsumerThread("Y",kfc);
        Thread c3 = new ConsumerThread("T",kfc);
        Thread c4 = new ConsumerThread("Z",kfc);
        Thread c5 = new ConsumerThread("K",kfc);

        p1.start();
        p2.start();
        p3.start();
        c1.start();
        c2.start();
        c3.start();
        c4.start();
        c5.start();

    }
}

测试结果，生产和消费交替进行

[生产者A] 生成一个:上校鸡块,KFC有食物:1个
[生产者B] 生成一个:上校鸡块,KFC有食物:2个
[生产者C] 生成一个:上校鸡块,KFC有食物:3个
[消费者Thread-2] 消费一个:上校鸡块,KFC有食物:2个
[生产者B] 生成一个:上校鸡块,KFC有食物:3个
[生产者C] 生成一个:上校鸡块,KFC有食物:4个
[生产者A] 生成一个:上校鸡块,KFC有食物:5个
[消费者Thread-3] 消费一个:上校鸡块,KFC有食物:4个
[消费者Thread-4] 消费一个:上校鸡块,KFC有食物:3个
[消费者Thread-1] 消费一个:上校鸡块,KFC有食物:2个
[消费者Thread-0] 消费一个:上校鸡块,KFC有食物:1个
[消费者Thread-2] 消费一个:上校鸡块,KFC有食物:0个
[生产者B] 生成一个:上校鸡块,KFC有食物:1个

3、应用于消息队列

在消息队列中，生产者-消费者模型也被广泛应用。消息队列是一种高效的消息传递机制，它可以实现不同应用程序或服务之间的异步通信。在消息队列中，生产者向队列中发送消息，而消费者则从队列中接收消息并进行处理。消息队列通常具有以下特点：

  1. 可靠性：消息队列通常使用持久化策略，可以保证消息在发送和接收过程中的可靠性和安全性。

  2. 异步性：生产者和消费者可以独立运行，不需要等待对方的响应，从而提高系统的吞吐量和响应速度。

  3. 解耦性：消息队列可以实现不同模块之间的解耦，降低应用程序的复杂度和耦合度。

  4. 扩展性：消息队列可以根据需求动态扩展，支持多个生产者和消费者并发访问。

在消息队列中，生产者-消费者模型可以通过使用不同的消息队列实现。常见的消息队列包括ActiveMQ、RabbitMQ、Kafka等，它们提供了丰富的API和特性，可以满足不同场景下的需求。例如，ActiveMQ支持JMS规范，提供了消息确认、持久化、事务等特性；RabbitMQ支持AMQP协议，具有高可用性、可扩展性等特点；Kafka支持高吞吐量、分布式部署等特性，适合大数据处理和流式计算。

代码实现

3.1 引入依赖

    </dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-amqp</artifactId>
    </dependency>

3.2 rabbitmq网站新建队列queue

3.3 模块中配置application.yml

spring:
  rabbitmq:
    host: 192.168.***.***
    port: 5672
    username: admin
    password: 123
logging:
  level:
    com.****.mq: debug

3.4 生产者实现类

@Service
public class ProducerServiceImpl implements IProducerService {
    @Autowired
    private RabbitTemplate rabbitTemplate;

    @Override
    public void sendMessage(String msg) {
        System.out.println("准备发送数据到mq:" + msg);
        rabbitTemplate.convertAndSend("my_simple_queue", msg);
    }

    @Override
    public void sendUser(User user) {
        System.out.println("准备发送User对象数据到mq:" + user);
        rabbitTemplate.convertAndSend("my_simple_queue",user);
    }
}

3.5 单元测试，发送msg到rabbitmq的队列(my_simple_queue)

3.6 消费者实现类

@Service
public class ConsumerServiceImpl implements IConsumerService {

   //@RabbitListener(queues = "my_simple_queue")
    @Override
    public void consumerMessage(String msg) {
        System.out.println("[消费者：]消费mq中的信息:" + msg);
    }

    @RabbitListener(queues = "my_simple_queue")
    @Override
    public void consumerUser(User user) {
        System.out.println("[消费者：]消费mq中的user信息:" + user.getUsername());
    }
}

3.7 从rabbitmq队列(my_simple_queue)消费数据

3.8 队列的配置类

@Configuration
public class RabbitMQConfig {

    @Bean
    public MessageConverter messageConverter(){
        return new Jackson2JsonMessageConverter();
    }

    @Bean
    public RabbitTemplate rabbitTemplate(ConnectionFactory connectionFactory){

        RabbitTemplate rabbitTemplate = new RabbitTemplate(connectionFactory);
        //将对象转换为json对象形式
        rabbitTemplate.setMessageConverter(messageConverter());
        return rabbitTemplate;

    }

}

小结

总之，生产者-消费者模型是一种重要的并发编程模型，在Java中和消息队列中都得到了广泛的应用。通过合理地使用同步机制和消息队列，可以提高系统的性能、可靠性和扩展性，实现高效的数据传输和处理。此模型在很多领域都有广泛应用，例如任务调度、消息队列、事件驱动编程等，它能有效地解耦数据生成与处理的过程，并提高系统的可扩展性和资源利用率。

参考：

java生产消费者模式 java实现生产者消费者模型_mob6454cc6c8549的技术博客_51CTO博客

Java多线程之生产者和消费者模型 - 简书

生产者消费者模型（学习笔记）——java多线程典型案例_java写生产者消费者模型_未跑路的汪汪的博客-CSDN博客

Java多线程之生产者消费者模式详解_java_脚本之家

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