（Java并发基础）如何实现生产者消费者模式？

生产者消费者模式经常在面试中问到，并且很多面试官或者力扣的算法题中明确要求自己实现阻塞队列。

什么是生产者消费者模式

生产者消费者模式是程序设计中非常常见的一种设计模式，被广泛运用在解耦、消息队列等场景。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。
其实就是MQ。用来做缓冲作用。如下图所示，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前互相通信的过程，因为无论是阻塞队列是满还是空都将阻塞，阻塞之后就会在满足条件时去唤醒被阻塞的线程。

使用BlockingQueue实现生产者消费者模式

public static void main(String[] args) {
 
  BlockingQueue<Object> queue = new ArrayBlockingQueue<>(10);
 
 Runnable producer = () -> {
    while (true) {
          queue.put(new Object());
  }
   };
 
new Thread(producer).start();
new Thread(producer).start();
 
Runnable consumer = () -> {
      while (true) {
           queue.take();
}
   };
new Thread(consumer).start();
new Thread(consumer).start();
}

以上代码通过创建一个ArrayBlockingQueue类型的BlockingQueue，并初始化队列大小为10。然后创建2个生产者线程负责往队列中添加数据；创建两个消费者线程负责消费数据。
其中的put和take方法中，通过ReentrantLock做了一些同步策略。

使用Condition实现生产者消费者模式

使用Condition来实现生产者消费者模式，实质是模拟BlockingQueue的实现方式。代码如下。

public class MyBlockingQueueForCondition {
 
   private Queue queue;
   private int max = 16;
   private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
   private Condition notEmpty = lock.newCondition();
   private Condition notFull = lock.newCondition();
 
 
   public MyBlockingQueueForCondition(int size) {
       this.max = size;
       queue = new LinkedList();
   }
 
   public void put(Object o) throws InterruptedException {
       lock.lock();
       try {
           while (queue.size() == max) {
               notFull.await();
           }
           queue.add(o);
           notEmpty.signalAll();
       } finally {
           lock.unlock();
       }
   }
 
   public Object take() throws InterruptedException {
       lock.lock();
       try {
           while (queue.size() == 0) {
               notEmpty.await();
           }
           Object item = queue.remove();
           notFull.signalAll();
           return item;
       } finally {
           lock.unlock();
       }
   }
}

这次是直接使用java中的Queue对象，并初始化大小为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，分别表示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。
这里需要自己实现同步措施保证线程安全，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。

使用wait/notify结合链表实现生产者消费者模式

class MyBlockingQueue {
 
   private int maxSize;
   private LinkedList<Object> storage;
 
   public MyBlockingQueue(int size) {
       this.maxSize = size;
       storage = new LinkedList<>();
   }
 
   public synchronized void put() throws InterruptedException {
       while (storage.size() == maxSize) {
           wait();
       }
       storage.add(new Object());
       notifyAll();
   }
 
   public synchronized void take() throws InterruptedException {
       while (storage.size() == 0) {
           wait();
       }
       System.out.println(storage.remove());
       notifyAll();
   }
}

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：

/**
* 描述：     wait形式实现生产者消费者模式
*/
public class WaitStyle {
 
   public static void main(String[] args) {
       MyBlockingQueue myBlockingQueue = new MyBlockingQueue(10);
       Producer producer = new Producer(myBlockingQueue);
       Consumer consumer = new Consumer(myBlockingQueue);
       new Thread(producer).start();
       new Thread(consumer).start();
   }
}
 
class Producer implements Runnable {
 
   private MyBlockingQueue storage;
 
   public Producer(MyBlockingQueue storage) {
       this.storage = storage;
   }
 
   @Override
   public void run() {
       for (int i = 0; i < 100; i++) {
           try {
               storage.put();
           } catch (InterruptedException e) {
               e.printStackTrace();
           }
       }
   }
}
 
class Consumer implements Runnable {
 
   private MyBlockingQueue storage;
 
   public Consumer(MyBlockingQueue storage) {
       this.storage = storage;
   }
 
   @Override
   public void run() {
       for (int i = 0; i < 100; i++) {
           try {
               storage.take();
           } catch (InterruptedException e) {
               e.printStackTrace();
           }
       }
   }
}

以上就是实现生产者消费者的三种方式。本质上都是实现一个阻塞队列来达到生产者消费者功能的目的。