Java多线程 BlockingQueue实现生产者消费者模型详解

线程模型简介

生产者消费者模型是多线程编程中常用的模式。它包括两类线程，生产者线程和消费者线程，它们通过共享的缓存区传递数据。生产者将数据放入缓存区，消费者从缓存区获取数据进行消费。在高并发环境下，生产者和消费者的速度差异较大可能导致一些不可控的后果，例如：缓存区溢出，生产者和消费者发生死锁等。为了解决这些问题，Java提供了多种解决方案。本篇文章将会详细讲述Java多线程中如何通过使用BlockingQueue来实现生产者消费者模型。

BlockingQueue简介

BlockingQueue是Java多线程中提供的一种线程安全的FIFO队列，它有两个特点：

1. 线程安全：多线程环境下可以安全地操作。
2. 高效：不需要对队列进行手动加锁，阻塞线程效率高。

BlockingQueue采用了阻塞机制，当队列为空时，阻塞消费者线程，直到队列中有数据可以消费。当队列满时，阻塞生产者线程，直到队列有空余位置可用。

BlockingQueue有多个实现类，例如，ArrayBlockingQueue和LinkedBlockingQueue。本文重点介绍LinkedBlockingQueue，因为它相对ArrayBlockingQueue更加高效。

LinkedBlockingQueue详解

LinkedBlockingQueue底层使用链表来实现队列。它具有以下特点：

1. 长度可控：可以指定容量，当队列已满时，会阻塞生产者线程。
2. 越界检查：队列元素个数为 Integer.MAX_VALUE 时，添加元素时会抛出异常。

下面分别讲述生产者和消费者线程的实现方式。

生产者线程示例

public class Producer implements Runnable {

    private BlockingQueue<Integer> queue;

    public Producer(BlockingQueue<Integer> queue) {
        this.queue = queue;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                queue.put(i);
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "生产了:" + i);
                Thread.sleep(100);
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

上面是一个简单的生产者线程实现，它通过传入一个BlockingQueue来操作缓存区。在run方法中使用循环来不断地生产数据，使用put方法将数据加入队列中，阻塞自身直到队列中有空余位置可供使用。注意，队列是线程安全的，因此不需要手动加锁。

消费者线程示例

public class Consumer implements Runnable {

    private BlockingQueue<Integer> queue;

    public Consumer(BlockingQueue<Integer> queue) {
        this.queue = queue;
    }

    @Override
    public void run() {
        try {
            while (true) {
                Integer i = queue.take();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "消费了:" + i);
                Thread.sleep(500);
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

上面是一个简单的消费者线程实现，同样通过传入一个BlockingQueue来操作缓存区。在run方法中使用while循环来不断地消费数据，使用take方法从队列中获取数据，阻塞自身直到队列中有可消费的数据。同样，不需要手动加锁，队列是线程安全的。

生产者消费者线程交替运行示例

下面是一个示例，展示了如何启动生产者和消费者线程，并让它们交替进行。

public class Main {

    public static void main(String[] args) {

        BlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<>(3);

        Producer producer = new Producer(queue);
        Consumer consumer = new Consumer(queue);

        new Thread(producer, "Producer").start();
        new Thread(consumer, "Consumer").start();
    }
}

在Main方法中创建了一个容量为3的LinkedBlockingQueue队列，分别创建了一个生产者线程和一个消费者线程，启动后，它们就会交替运行，输出以下结果：

Producer生产了:0
Consumer消费了:0
Producer生产了:1
Consumer消费了:1
Producer生产了:2
Consumer消费了:2

总结

本文介绍了Java多线程中如何使用BlockingQueue实现生产者消费者模型，并提供了LinkedBlockingQueue的实现方式和示例代码。需要注意的是，在多线程环境下，使用线程安全的方式来共享数据是一个比较重要的问题，Java的BlockingQueue提供了一种简单有效的方式来解决这个问题。