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Java基于阻塞隊(duì)列實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者消費(fèi)者模型示例詳解

 更新時間:2023年12月30日 12:04:27   作者:兜里有顆棉花糖  
這篇文章主要介紹了Java基于阻塞隊(duì)列實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者消費(fèi)者模型,阻塞隊(duì)列的特點(diǎn)就是阻塞兩個字,阻塞功能使得生產(chǎn)者和消費(fèi)者兩端的能力得以平衡,當(dāng)有任何一端速度過快時,阻塞隊(duì)列便會把過快的速度降下來,感興趣的朋友可以參考下

一、阻塞式隊(duì)列

什么是阻塞式隊(duì)列(有兩點(diǎn)):

  • 第一點(diǎn):當(dāng)隊(duì)列滿的時候,如果此時入隊(duì)列的話就會出現(xiàn)阻塞,直到其它線程從隊(duì)列中取走元素為止。
  • 第二點(diǎn):當(dāng)隊(duì)列為空的時候,如果繼續(xù)出隊(duì)列,此時就會出現(xiàn)阻塞,一直阻塞到其它線程往隊(duì)列中添加元素為止。

二、生產(chǎn)者消費(fèi)者模型

什么是生產(chǎn)者消費(fèi)者模型

生產(chǎn)者消費(fèi)者模型是常見的多線程編程模型,可以用來解決生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間的數(shù)據(jù)交互問題。

阻塞隊(duì)列的最主要的一個目的之一就是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者消費(fèi)者模型(基于阻塞隊(duì)列實(shí)現(xiàn)),生產(chǎn)者消費(fèi)主模型是處理多線程問題的一種方式。

生產(chǎn)消費(fèi)者模型的優(yōu)勢

生產(chǎn)者消費(fèi)主模型的優(yōu)勢:針對分布式系統(tǒng)有兩個優(yōu)勢,一個是解耦合(耦合我們可以理解為依賴程度)、另一個是削峰填谷。

  • 解耦合:生產(chǎn)者和消費(fèi)主之間通過緩沖區(qū)進(jìn)行解耦合,而不會對彼此產(chǎn)生直接的依賴,我們通過引入生產(chǎn)者消費(fèi)者模型(即阻塞隊(duì)列)就可以達(dá)到解耦合的效果,但是付出的代價就是效率有所降低。
  • 削峰填谷:服務(wù)器接收到的來自用戶端的請求數(shù)量可能會因?yàn)橐恍┩话l(fā)時間而暴增,此時服務(wù)器面臨的壓力就非常大了。我們要知道一臺服務(wù)器承擔(dān)的上限是一樣的,不同的服務(wù)器所能承擔(dān)的上限又是不同的。(機(jī)器的硬件資源(CPU、內(nèi)存、硬盤、網(wǎng)絡(luò)帶寬等等)是有限的,而服務(wù)器每處理一個請求都需要消耗一定的資源,請求足夠多直到機(jī)器的硬件資源招架不住的時候服務(wù)器也就掛了)通過引入生產(chǎn)消費(fèi)者模型(即阻塞隊(duì)列)就可以起到一個緩沖的作用,其中阻塞隊(duì)列就承擔(dān)了服務(wù)器的一部分壓力,然后當(dāng)峰值消退的時候,服務(wù)器接收到的請求就相對較少了,此時服務(wù)器由于阻塞隊(duì)列的原因依然可以按照既定的順序處理請求。

阻塞隊(duì)列只是一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),如果我們把這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)單獨(dú)實(shí)現(xiàn)稱了一個服務(wù)器程序,并且使用單獨(dú)的主機(jī)或者主機(jī)群來進(jìn)行部署的話,此時阻塞式隊(duì)列就進(jìn)化成了消息隊(duì)列。而在Java標(biāo)準(zhǔn)庫中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了阻塞隊(duì)列,并且實(shí)現(xiàn)了三種阻塞隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)方式:

三、生產(chǎn)者消費(fèi)者舉例代碼

生產(chǎn)消費(fèi)者模型代碼如下(基于阻塞式隊(duì)列):

import java.util.concurrent.BlockingQueue;
  import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
// 生產(chǎn)消費(fèi)者模型——阻塞隊(duì)列
public class Demo20 {
    public static void main(String[] args) {
        // 創(chuàng)建一個阻塞隊(duì)列來作為交易場所
        BlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<>(10);
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            int count = 0;
            while(true) {
                try {
                    queue.put(count);
                    System.out.println("生產(chǎn)元素:" + count);
                    count++;
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            while(true) {
                while(true) {
                    try {
                        Integer n = queue.take();
                        System.out.println("消費(fèi)元素:" + n);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

代碼運(yùn)行結(jié)果如下:

四、基于阻塞式隊(duì)列實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者消費(fèi)者模型

現(xiàn)在,我們自己來基于循環(huán)隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)阻塞式隊(duì)列。注意我們這里實(shí)現(xiàn)的阻塞隊(duì)列是基于數(shù)組、基于循環(huán)隊(duì)列的阻塞隊(duì)列。

我們在實(shí)現(xiàn)阻塞隊(duì)列的時候有以下幾點(diǎn)需要注意:

  • 線程安全問題:需要給put方法和take()方法進(jìn)行加鎖操作。
  • 經(jīng)過加鎖之后還需要考慮到內(nèi)存可見性問題,這里就涉及到volatile關(guān)鍵字的使用。
  • 阻塞狀態(tài)以及阻塞狀態(tài)的解除時機(jī)要把握好(即wait()方法和notify()方法的使用)。
  • wait()方法不一定是被notify()方法喚醒的,還有可能是被interrupt()方法喚醒的:如果interrupt方法是按照try catch的形式來進(jìn)行編寫的,一旦interrupt方法喚醒wait方法,接著執(zhí)行完catch之后,代碼并不會結(jié)束而是繼續(xù)往后執(zhí)行,此時就會出現(xiàn)覆蓋元素的問題。(解決方法,使用while循環(huán)不斷等待和檢查條件。如果不使用 while 循環(huán)在狀態(tài)被滿足之前不斷地等待和檢查條件,就有可能在 wait 方法返回之后仍然不能安全地進(jìn)行操作,這可能導(dǎo)致程序出現(xiàn)異常和錯誤。)強(qiáng)烈建議使用wait方法的時候搭配while循環(huán)來判定條件

代碼如下:

class MyBlockQueue {
    // 使用string類型的數(shù)組來保存元素,我們假設(shè)這里只存string
    private String[] items = new String[1000];
    //head表示指向隊(duì)列的頭部
    volatile private int head = 0;
    volatile private int tail = 0;
    volatile private int size = 0; // size表示元素個數(shù)
    private Object locker = new Object();
    public void put(String elem) throws InterruptedException {
        synchronized(locker) {
            while(size >= items.length) {
                //隊(duì)列已滿
                locker.wait();
                //return;
            }
            items[tail] = elem;
            tail++;
            if(tail >= items.length) {
                tail = 0;
            }
            //tail++和下面的if判斷可以替換成tail = (tail + 1) % (items.length)
            //但是站在CPU的角度來看,其實(shí)還是簡單的if判斷比較快
            size++;
            locker.notify(); // 用來喚醒隊(duì)列為空的阻塞情況
        }
    }
    //出隊(duì)列
    public String take() throws InterruptedException {
        synchronized(locker) {
            while(size == 0) {
                locker.wait();
            }
            String elem = items[head];
            head++;
            if(head >= items.length) {
                head = 0;
            }
            size--;
            //使用notify來喚醒隊(duì)列阻塞滿的情況
            locker.notify();
            return elem;
        }
    }
}
public class Demo21 {
    public static void main(String[] args) {
        // 創(chuàng)建兩個線程分別表示消費(fèi)者和生產(chǎn)者
        MyBlockQueue queue = new MyBlockQueue();
        Thread t1 = new Thread(() -> {
           int count = 0;
           while(true) {
               try {
                   queue.put(count + "");
                   System.out.println("生產(chǎn)元素: " + count);
                   count++;
               } catch (InterruptedException e) {
                   e.printStackTrace();
               }
           }
        });
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            while(true) {
                try {
                    String count = queue.take();
                    System.out.println("消費(fèi)元素: " + count);
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

以上就是Java基于阻塞隊(duì)列實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者消費(fèi)者模型示例詳解的詳細(xì)內(nèi)容,更多關(guān)于Java阻塞隊(duì)列的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!

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