架构设计:生产者/消费者模式[0]:概述

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★简介
★优点
★本系列的目录

今天打算来介绍一下“生产者/消费者模式”,这玩意儿在很多开发领域都能派上用场。鉴于该模式很重要且相关内容比较丰富,俺打算分几个帖子逐一介绍。今天先来扫盲一把。如果你对这个模式已经比较了解,请跳过本帖子,直接看下一个帖子(关于如何确定数据单元)
看到这里,可能有同学心中犯嘀咕了:在四人帮(Gang Of Four)的23种模式里面似乎没听说过这种嘛!其实 GOF 那经典的23种模式主要是基于 OO 的(从书名《Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software》就可以看出来)。而 Pattern 实际上即可以是 OO 的 Pattern,也可以是非 OO 的 Pattern 的。

★简介

言归正传!在实际的软件开发过程中,经常会碰到如下场景:某个模块负责产生数据,这些数据由另一个模块来负责处理(此处的模块是广义的,可以是类、函数、线程、进程等)。产生数据的模块,就形象地称为【生产者】;而处理数据的模块,就称为【消费者】。
单单抽象出生产者和消费者,还够不上是生产者/消费者模式。该模式还需要有一个缓冲区处于生产者和消费者之间,作为一个中介。生产者把数据放入缓冲区,而消费者从缓冲区取出数据。大概的结构如下图。

为了不至于太抽象,咱们举一个寄信的例子(虽说这年头寄信已经不时兴,但这个例子还是比较贴切的)。假设你要寄一封平信,大致过程如下:
1、你把信写好 — — 相当于生产者制造数据
2、你把信放入邮筒 — — 相当于生产者把数据放入缓冲区
3、邮递员把信从邮筒取出 — — 相当于消费者把数据取出缓冲区
4、邮递员把信拿去邮局做相应的处理 — — 相当于消费者处理数据

★优点

可能有同学会问了:这个缓冲区有什么用捏?为什么不让生产者直接调用消费者的某个函数,直接把数据传递过去捏?搞出这么个缓冲区作甚?
其实这里面是大有讲究的,大概有如下一些好处。

◇解耦

假设生产者和消费者分别是两个类。如果让生产者直接调用消费者的某个方法,那么生产者对于消费者就会产生依赖(也就是耦合)。将来如果消费者的代码发生变化,可能会影响到生产者。而如果两者都依赖于某个缓冲区,两者之间不直接依赖,耦合也就相应降低了。
接着上述的例子,如果不使用邮筒(也就是缓冲区),你必须得把信直接交给邮递员。有同学会说,直接给邮递员不是挺简单的嘛?其实不简单,你必须得认识谁是邮递员,才能把信给他(光凭身上穿的制服,万一有人假冒,就惨了)。这就产生和你和邮递员之间的依赖(相当于生产者和消费者的【强】耦合)。万一哪天邮递员换人了,你还要重新认识一下(相当于消费者变化导致修改生产者代码)。而邮筒相对邮递员来说比较固定,你依赖它的成本也就比较低(相当于和缓冲区之间的【弱】耦合)。

◇支持并发(concurrency)

生产者直接调用消费者的某个方法,还有另一个弊端。由于函数调用是同步的(或者叫阻塞的),在消费者的方法没有返回之前,生产者只好一直等在那边。万一消费者处理数据很慢,生产者就会白白糟蹋大好时光。
使用了生产者/消费者模式之后,生产者和消费者可以是两个独立的并发主体(常见的并发类型有进程和线程两种,后面的帖子会讲两种并发类型下的应用)。生产者把制造出来的数据往缓冲区一丢,就可以再去生产下一个数据。基本上不用依赖消费者的处理速度。
其实当初这个模式,主要就是用来处理并发问题的。
从寄信的例子来看。如果没有邮筒,你得拿着信傻站在路口等邮递员过来收(相当于生产者阻塞);又或者邮递员得挨家挨户问,谁要寄信(相当于消费者轮询)。不管是哪种方法,都挺土的。

◇支持忙闲不均

缓冲区还有另一个好处。如果制造数据的速度时快时慢,缓冲区的好处就体现出来了。当数据制造快的时候,消费者来不及处理,未处理的数据可以暂时存在缓冲区中。等生产者的制造速度慢下来,消费者再慢慢处理掉。
为了充分复用、节省打字,俺再拿寄信的例子来说事儿。假设邮递员一次只能带走1000封信。万一某次碰上情人节(也可能是圣诞节)送贺卡,需要寄出去的信超过1000封,这时候邮筒这个缓冲区就派上用场了。邮递员把来不及带走的信暂存在邮筒中,等下次过来时再拿走。
费了这么多口水,希望原先不太了解生产者/消费者模式的同学能够明白它是怎么一回事。下一个帖子,首先聊一下“如何确定数据单元”。

★本系列的目录

为了方便阅读,把本系列帖子的目录整理如下(需翻墙):
1. 如何确定数据单元
2. 队列缓冲区
3. 环形缓冲区
4. 双缓冲区

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