[0]：概述

今天打算來介紹一下“生產(chǎn)者／消費(fèi)者模式”，這玩意兒在很多開發(fā)領(lǐng)域都能派上用場。由于該模式很重要，打算分幾個帖子來介紹。今天這個帖子先來掃盲一把。如果你對這個模式已經(jīng)比較了解，請?zhí)^本掃盲帖，直接看下一個帖子（關(guān)于該模式的具體應(yīng)用）。

看到這里，可能有同學(xué)心中犯嘀咕了：在四人幫（GOF）的23種模式里面似乎沒聽說過這種嘛！其實(shí)GOF那經(jīng)典的23種模式主要是基于OO的（從書名《Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software》就可以看出來）。而Pattern實(shí)際上即可以是OO的Pattern，也可以是非OO的Pattern的。

★簡介

言歸正傳！在實(shí)際的軟件開發(fā)過程中，經(jīng)常會碰到如下場景：某個模塊負(fù)責(zé)產(chǎn)生數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由另一個模塊來負(fù)責(zé)處理（此處的模塊是廣義的，可以是類、函數(shù)、線程、進(jìn)程等）。產(chǎn)生數(shù)據(jù)的模塊，就形象地稱為生產(chǎn)者；而處理數(shù)據(jù)的模塊，就稱為消費(fèi)者。

單單抽象出生產(chǎn)者和消費(fèi)者，還夠不上是生產(chǎn)者／消費(fèi)者模式。該模式還需要有一個緩沖區(qū)處于生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間，作為一個中介。生產(chǎn)者把數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)，而消費(fèi)者從緩沖區(qū)取出數(shù)據(jù)。大概的結(jié)構(gòu)如下圖。

為了不至于太抽象，我們舉一個寄信的例子（雖說這年頭寄信已經(jīng)不時興，但這個例子還是比較貼切的）。假設(shè)你要寄一封平信，大致過程如下：

1、你把信寫好——相當(dāng)于生產(chǎn)者制造數(shù)據(jù)

2、你把信放入郵筒——相當(dāng)于生產(chǎn)者把數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)

3、郵遞員把信從郵筒取出——相當(dāng)于消費(fèi)者把數(shù)據(jù)取出緩沖區(qū)

4、郵遞員把信拿去郵局做相應(yīng)的處理——相當(dāng)于消費(fèi)者處理數(shù)據(jù)

★優(yōu)點(diǎn)

可能有同學(xué)會問了：這個緩沖區(qū)有什么用捏？為什么不讓生產(chǎn)者直接調(diào)用消費(fèi)者的某個函數(shù)，直接把數(shù)據(jù)傳遞過去？搞出這么一個緩沖區(qū)作甚？

其實(shí)這里面是大有講究的，大概有如下一些好處。

◇解耦

假設(shè)生產(chǎn)者和消費(fèi)者分別是兩個類。如果讓生產(chǎn)者直接調(diào)用消費(fèi)者的某個方法，那么生產(chǎn)者對于消費(fèi)者就會產(chǎn)生依賴（也就是耦合）。將來如果消費(fèi)者的代碼發(fā)生變化，可能會影響到生產(chǎn)者。而如果兩者都依賴于某個緩沖區(qū)，兩者之間不直接依賴，耦合也就相應(yīng)降低了。

接著上述的例子，如果不使用郵筒（也就是緩沖區(qū)），你必須得把信直接交給郵遞員。有同學(xué)會說，直接給郵遞員不是挺簡單的嘛？其實(shí)不簡單，你必須得認(rèn)識誰是郵遞員，才能把信給他（光憑身上穿的制服，萬一有人假冒，就慘了）。這就產(chǎn)生和你和郵遞員之間的依賴（相當(dāng)于生產(chǎn)者和消費(fèi)者的強(qiáng)耦合）。萬一哪天郵遞員換人了，你還要重新認(rèn)識一下（相當(dāng)于消費(fèi)者變化導(dǎo)致修改生產(chǎn)者代碼）。而郵筒相對來說比較固定，你依賴它的成本就比較低（相當(dāng)于和緩沖區(qū)之間的弱耦合）。

◇支持并發(fā)（concurrency）

生產(chǎn)者直接調(diào)用消費(fèi)者的某個方法，還有另一個弊端。由于函數(shù)調(diào)用是同步的（或者叫阻塞的），在消費(fèi)者的方法沒有返回之前，生產(chǎn)者只好一直等在那邊。萬一消費(fèi)者處理數(shù)據(jù)很慢，生產(chǎn)者就會白白糟蹋大好時光。

使用了生產(chǎn)者／消費(fèi)者模式之后，生產(chǎn)者和消費(fèi)者可以是兩個獨(dú)立的并發(fā)主體（常見并發(fā)類型有進(jìn)程和線程兩種，后面的帖子會講兩種并發(fā)類型下的應(yīng)用）。生產(chǎn)者把制造出來的數(shù)據(jù)往緩沖區(qū)一丟，就可以再去生產(chǎn)下一個數(shù)據(jù)。基本上不用依賴消費(fèi)者的處理速度。

其實(shí)當(dāng)初這個模式，主要就是用來處理并發(fā)問題的。

從寄信的例子來看。如果沒有郵筒，你得拿著信傻站在路口等郵遞員過來收（相當(dāng)于生產(chǎn)者阻塞）；又或者郵遞員得挨家挨戶問，誰要寄信（相當(dāng)于消費(fèi)者輪詢）。不管是哪種方法，都挺土的。

◇支持忙閑不均

緩沖區(qū)還有另一個好處。如果制造數(shù)據(jù)的速度時快時慢，緩沖區(qū)的好處就體現(xiàn)出來了。當(dāng)數(shù)據(jù)制造快的時候，消費(fèi)者來不及處理，未處理的數(shù)據(jù)可以暫時存在緩沖區(qū)中。等生產(chǎn)者的制造速度慢下來，消費(fèi)者再慢慢處理掉。

為了充分復(fù)用，我們再拿寄信的例子來說事。假設(shè)郵遞員一次只能帶走1000封信。萬一某次碰上情人節(jié)（也可能是圣誕節(jié)）送賀卡，需要寄出去的信超過1000封，這時候郵筒這個緩沖區(qū)就派上用場了。郵遞員把來不及帶走的信暫存在郵筒中，等下次過來時再拿走。

費(fèi)了這么多口水，希望原先不太了解生產(chǎn)者／消費(fèi)者模式的同學(xué)能夠明白它是怎么一回事。然后在下一個帖子中，我們來說說如何確定數(shù)據(jù)單元。

另外，為了方便閱讀，把本系列帖子的目錄整理如下：

1、如何確定數(shù)據(jù)單元

2、隊(duì)列緩沖區(qū)

3、隊(duì)列緩沖區(qū)

4、雙緩沖區(qū)

5、......

[1]：如何確定數(shù)據(jù)單元？

既然前一個帖子已經(jīng)搞過掃盲了，那接下來應(yīng)該開始聊一些具體的編程技術(shù)問題了。不過在進(jìn)入具體的技術(shù)細(xì)節(jié)之前，咱們先要搞明白一個問題：如何確定數(shù)據(jù)單元？只有把數(shù)據(jù)單元分析清楚，后面的技術(shù)設(shè)計才好搞。

★啥是數(shù)據(jù)單元

何謂數(shù)據(jù)單元捏？簡單地說，每次生產(chǎn)者放到緩沖區(qū)的，就是一個數(shù)據(jù)單元；每次消費(fèi)者從緩沖區(qū)取出的，也是一個數(shù)據(jù)單元。對于前一個帖子中寄信的例子，我們可以把每一封單獨(dú)的信件看成是一個數(shù)據(jù)單元。

不過光這么介紹，太過于簡單，無助于大伙兒分析出這玩意兒。所以，后面咱們來看一下數(shù)據(jù)單元需要具備哪些特性。搞明白這些特性之后，就容易從復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯中分析出適合做數(shù)據(jù)單元的東西了。

★數(shù)據(jù)單元的特性

分析數(shù)據(jù)單元，需要考慮如下幾個方面的特性：

◇關(guān)聯(lián)到業(yè)務(wù)對象

首先，數(shù)據(jù)單元必須關(guān)聯(lián)到某種業(yè)務(wù)對象。在考慮該問題的時候，你必須深刻理解當(dāng)前這個生產(chǎn)者／消費(fèi)者模式所對應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯，才能夠作出合適的判斷。

由于“寄信”這個業(yè)務(wù)邏輯比較簡單，所以大伙兒很容易就可以判斷出數(shù)據(jù)單元是啥。但現(xiàn)實(shí)生活中，往往沒這么樂觀。大多數(shù)業(yè)務(wù)邏輯都比較復(fù)雜，當(dāng)中包含的業(yè)務(wù)對象是層次繁多、類型各異。在這種情況下，就不易作出決策了。

這一步很重要，如果選錯了業(yè)務(wù)對象，會導(dǎo)致后續(xù)程序設(shè)計和編碼實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度大為上升，增加了開發(fā)和維護(hù)成本。

◇完整性

所謂完整性，就是在傳輸過程中，要保證該數(shù)據(jù)單元的完整。要么整個數(shù)據(jù)單元被傳遞到消費(fèi)者，要么完全沒有傳遞到消費(fèi)者。不允許出現(xiàn)部分傳遞的情形。

對于寄信來說，你不能把半封信放入郵筒；同樣的，郵遞員從郵筒中拿信，也不能只拿出信的一部分。

◇獨(dú)立性

所謂獨(dú)立性，就是各個數(shù)據(jù)單元之間沒有互相依賴，某個數(shù)據(jù)單元傳輸失敗不應(yīng)該影響已經(jīng)完成傳輸?shù)膯卧?#xff1b;也不應(yīng)該影響尚未傳輸?shù)膯卧?/p>

為啥會出現(xiàn)傳輸失敗捏？假如生產(chǎn)者的生產(chǎn)速度在一段時間內(nèi)一直超過消費(fèi)者的處理速度，那就會導(dǎo)致緩沖區(qū)不斷增長并達(dá)到上限，之后的數(shù)據(jù)單元就會被丟棄。如果數(shù)據(jù)單元相互獨(dú)立，等到生產(chǎn)者的速度降下來之后，后續(xù)的數(shù)據(jù)單元繼續(xù)處理，不會受到牽連；反之，如果數(shù)據(jù)單元之間有某種耦合，導(dǎo)致被丟棄的數(shù)據(jù)單元會影響到后續(xù)其它單元的處理，那就會使程序邏輯變得非常復(fù)雜。

對于寄信來說，某封信弄丟了，不會影響后續(xù)信件的送達(dá)；當(dāng)然更不會影響已經(jīng)送達(dá)的信件。

◇顆粒度

前面提到，數(shù)據(jù)單元需要關(guān)聯(lián)到某種業(yè)務(wù)對象。那么數(shù)據(jù)單元和業(yè)務(wù)對象是否要一一對應(yīng)捏？很多場合確實(shí)是一一對應(yīng)的。

不過，有時出于性能等因素的考慮，也可能會把N個業(yè)務(wù)對象打包成一個數(shù)據(jù)單元。那么，這個N該如何取值就是顆粒度的考慮了。顆粒度的大小是有講究的。太大的顆粒度可能會造成某種浪費(fèi)；太小的顆粒度可能會造成性能問題。顆粒度的權(quán)衡要基于多方面的因素，以及一些經(jīng)驗(yàn)值的考量。

還是拿寄信的例子。如果顆粒度過小（比如設(shè)定為1），那郵遞員每次只取出1封信。如果信件多了，那就得來回跑好多趟，浪費(fèi)了時間。

如果顆粒度太大（比如設(shè)定為100），那寄信的人得等到湊滿100封信才拿去放入郵筒。假如平時很少寫信，就得等上很久，也不太爽。

可能有同學(xué)會問：生產(chǎn)者和消費(fèi)者的顆粒度能否設(shè)置成不同大小（比如對于寄信人設(shè)置成1，對于郵遞員設(shè)置成100）。當(dāng)然，理論上可以這么干，但是在某些情況下會增加程序邏輯和代碼實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。后面討論具體技術(shù)細(xì)節(jié)時，或許會聊到這個問題。

好，數(shù)據(jù)單元的話題就說到這。希望通過本帖子，大伙兒能夠搞明白數(shù)據(jù)單元到底是怎么一回事。下一個帖子，咱們來聊一下“基于隊(duì)列的緩沖區(qū)”，技術(shù)上如何實(shí)現(xiàn)。

[2]：隊(duì)列緩沖區(qū)

經(jīng)過前面兩個帖子的鋪墊，今天終于開始聊一些具體的編程技術(shù)了。由于不同的緩沖區(qū)類型、不同的并發(fā)場景對于具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)有較大的影響。為了深入淺出、便于大伙兒理解，咱們先來介紹最傳統(tǒng)、最常見的方式。也就是單個生產(chǎn)者對應(yīng)單個消費(fèi)者，當(dāng)中用隊(duì)列（FIFO）作緩沖。

關(guān)于并發(fā)的場景，在之前的帖子“進(jìn)程還線程？是一個問題！”中，已經(jīng)專門論述了進(jìn)程和線程各自的優(yōu)缺點(diǎn)，兩者皆不可偏廢。所以，后面對各種緩沖區(qū)類型的介紹都會同時提及進(jìn)程方式和線程方式。

★線程方式

先來說一下并發(fā)線程中使用隊(duì)列的例子，以及相關(guān)的優(yōu)缺點(diǎn)。

◇內(nèi)存分配的性能

在線程方式下，生產(chǎn)者和消費(fèi)者各自是一個線程。生產(chǎn)者把數(shù)據(jù)寫入隊(duì)列頭（以下簡稱push），消費(fèi)者從隊(duì)列尾部讀出數(shù)據(jù)（以下簡稱pop）。當(dāng)隊(duì)列為空，消費(fèi)者就稍息（稍事休息）；當(dāng)隊(duì)列滿（達(dá)到最大長度），生產(chǎn)者就稍息。整個流程并不復(fù)雜。

那么，上述過程會有什么問題捏？一個主要的問題是關(guān)于內(nèi)存分配的性能開銷。對于常見的隊(duì)列實(shí)現(xiàn)：在每次push時，可能涉及到堆內(nèi)存的分配；在每次pop時，可能涉及堆內(nèi)存的釋放。假如生產(chǎn)者和消費(fèi)者都很勤快，頻繁地push、pop，那內(nèi)存分配的開銷就很可觀了。對于內(nèi)存分配的開銷，用Java的同學(xué)可以參見前幾天的帖子“Java性能優(yōu)化[1]”；對于用C/C++的同學(xué)，想必對OS底層機(jī)制會更清楚，應(yīng)該知道分配堆內(nèi)存（new或malloc）會有加鎖的開銷和用戶態(tài)／核心態(tài)切換的開銷。

那該怎么辦捏？請聽下文分解，關(guān)于“生產(chǎn)者／消費(fèi)者模式[3]：環(huán)形緩沖區(qū)”。

◇同步和互斥的性能

另外，由于兩個線程共用一個隊(duì)列，自然就會涉及到線程間諸如同步啊、互斥啊、死鎖啊等等勞心費(fèi)神的事情。好在"操作系統(tǒng)"這門課程對此有詳細(xì)介紹，學(xué)過的同學(xué)應(yīng)該還有點(diǎn)印象吧？對于沒學(xué)過這門課的同學(xué)，也不必難過，網(wǎng)上相關(guān)的介紹挺多的（比如"這里"），大伙自己去瞅一瞅。關(guān)于這方面的細(xì)節(jié)，咱今天就不多啰嗦了。

這會兒要細(xì)談的是，同步和互斥的性能開銷。在很多場合中，諸如信號量、互斥量等玩意兒的使用也是有不小的開銷的（某些情況下，也可能導(dǎo)致用戶態(tài)／核心態(tài)切換）。如果像剛才所說，生產(chǎn)者和消費(fèi)者都很勤快，那這些開銷也不容小覷啊。

這又該咋辦捏？請聽下文的下文分解，關(guān)于“生產(chǎn)者／消費(fèi)者模式[4]：雙緩沖區(qū)”。

◇適用于隊(duì)列的場合

剛才盡批判了隊(duì)列的缺點(diǎn)，難道隊(duì)列方式就一無是處？非也。由于隊(duì)列是很常見的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，大部分編程語言都內(nèi)置了隊(duì)列的支持（具體介紹見"這里"），有些語言甚至提供了線程安全的隊(duì)列（比如JDK 1.5引入的ArrayBlockingQueue）。因此，開發(fā)人員可以撿現(xiàn)成，避免了重新發(fā)明輪子。

所以，假如你的數(shù)據(jù)流量不是很大，采用隊(duì)列緩沖區(qū)的好處還是很明顯的：邏輯清晰、代碼簡單、維護(hù)方便。比較符合KISS原則。

★進(jìn)程方式

說完了線程的方式，再來介紹基于進(jìn)程的并發(fā)。

跨進(jìn)程的生產(chǎn)者／消費(fèi)者模式，非常依賴于具體的進(jìn)程間通訊（IPC）方式。而IPC的種類名目繁多，不便于挨個列舉（畢竟口水有限）。因此咱們挑選幾種跨平臺、且編程語言支持較多的IPC方式來說事兒。

◇匿名管道

感覺管道是最像隊(duì)列的IPC類型。生產(chǎn)者進(jìn)程在管道的寫端放入數(shù)據(jù)；消費(fèi)者進(jìn)程在管道的讀端取出數(shù)據(jù)。整個的效果和線程中使用隊(duì)列非常類似，區(qū)別在于使用管道就無需操心線程安全、內(nèi)存分配等瑣事（操作系統(tǒng)暗中都幫你搞定了）。

管道又分命名管道和匿名管道兩種，今天主要聊匿名管道。因?yàn)槊艿涝诓煌牟僮飨到y(tǒng)下差異較大（比如Win32和POSIX，在命名管道的API接口和功能實(shí)現(xiàn)上都有較大差異；有些平臺不支持命名管道，比如Windows CE）。除了操作系統(tǒng)的問題，對于有些編程語言（比如Java）來說，命名管道是無法使用的。所以我一般不推薦使用這玩意兒。

其實(shí)匿名管道在不同平臺上的API接口，也是有差異的（比如Win32的CreatePipe和POSIX的pipe，用法就很不一樣）。但是我們可以僅使用標(biāo)準(zhǔn)輸入和標(biāo)準(zhǔn)輸出（以下簡稱stdio）來進(jìn)行數(shù)據(jù)的流入流出。然后利用shell的管道符把生產(chǎn)者進(jìn)程和消費(fèi)者進(jìn)程關(guān)聯(lián)起來（沒聽說過這種手法的同學(xué)，可以看"這里"）。實(shí)際上，很多操作系統(tǒng)（尤其是POSIX風(fēng)格的）自帶的命令都充分利用了這個特性來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸（比如more、grep等）。

這么干有幾個好處：

1、基本上所有操作系統(tǒng)都支持在shell方式下使用管道符。因此很容易實(shí)現(xiàn)跨平臺。

2、大部分編程語言都能夠操作stdio，因此跨編程語言也就容易實(shí)現(xiàn)。

3、剛才已經(jīng)提到，管道方式省卻了線程安全方面的瑣事。有利于降低開發(fā)、調(diào)試成本。

當(dāng)然，這種方式也有自身的缺點(diǎn)：

1、生產(chǎn)者進(jìn)程和消費(fèi)者進(jìn)程必須得在同一臺主機(jī)上，無法跨機(jī)器通訊。這個缺點(diǎn)比較明顯。

2、在一對一的情況下，這種方式挺合用。但如果要擴(kuò)展到一對多或者多對一，那就有點(diǎn)棘手了。所以這種方式的擴(kuò)展性要打個折扣。假如今后要考慮類似的擴(kuò)展，這個缺點(diǎn)就比較明顯。

3、由于管道是shell創(chuàng)建的，對于兩邊的進(jìn)程不可見（程序看到的只是stdio）。在某些情況下，導(dǎo)致程序不便于對管道進(jìn)行操縱（比如調(diào)整管道緩沖區(qū)尺寸）。這個缺點(diǎn)不太明顯。

4、最后，這種方式只能單向傳數(shù)據(jù)。好在大多數(shù)情況下，消費(fèi)者進(jìn)程不需要傳數(shù)據(jù)給生產(chǎn)者進(jìn)程。萬一你確實(shí)需要信息反饋（從消費(fèi)者到生產(chǎn)者），那就費(fèi)勁了。可能得考慮換種IPC方式。

順便補(bǔ)充幾個注意事項(xiàng)，大伙兒留意一下：

1、對stdio進(jìn)行讀寫操作是以阻塞方式進(jìn)行。比如管道中沒有數(shù)據(jù)，消費(fèi)者進(jìn)程的讀操作就會一直停在哪兒，直到管道中重新有數(shù)據(jù)。

2、由于stdio內(nèi)部帶有自己的緩沖區(qū)（這緩沖區(qū)和管道緩沖區(qū)是兩碼事），有時會導(dǎo)致一些不太爽的現(xiàn)象（比如生產(chǎn)者進(jìn)程輸出了數(shù)據(jù)，但消費(fèi)者進(jìn)程沒有立即讀到）。具體的細(xì)節(jié)，大伙兒可以看"這里"。

◇SOCKET（TCP方式）

基于TCP方式的SOCKET通訊是又一個類似于隊(duì)列的IPC方式。它同樣保證了數(shù)據(jù)的順序到達(dá)；同樣有緩沖的機(jī)制。而且這玩意兒也是跨平臺和跨語言的，和剛才介紹的shell管道符方式類似。

SOCKET相比shell管道符的方式，有啥優(yōu)點(diǎn)捏？主要有如下幾個優(yōu)點(diǎn)：

1、SOCKET方式可以跨機(jī)器（便于實(shí)現(xiàn)分布式）。這是主要優(yōu)點(diǎn)。

2、SOCKET方式便于將來擴(kuò)展成為多對一或者一對多。這也是主要優(yōu)點(diǎn)。

3、SOCKET可以設(shè)置阻塞和非阻塞方法，用起來比較靈活。這是次要優(yōu)點(diǎn)。

4、SOCKET支持雙向通訊，有利于消費(fèi)者反饋信息。

當(dāng)然有利就有弊。相對于上述shell管道的方式，使用SOCKET在編程上會更復(fù)雜一些。好在前人已經(jīng)做了大量的工作，搞出很多SOCKET通訊庫和框架給大伙兒用（比如C++的ACE庫、Python的Twisted）。借助于這些第三方的庫和框架，SOCKET方式用起來還是比較爽的。由于具體的網(wǎng)絡(luò)通訊庫該怎么用不是本系列的重點(diǎn)，此處就不細(xì)說了。

雖然TCP在很多方面比UDP可靠，但鑒于跨機(jī)器通訊先天的不可預(yù)料性（比如網(wǎng)線可能被某傻X給拔錯了，網(wǎng)絡(luò)的忙閑波動可能很大），在程序設(shè)計上我們還是要多留一手。具體該如何做捏？可以在生產(chǎn)者進(jìn)程和消費(fèi)者進(jìn)程內(nèi)部各自再引入基于線程的"生產(chǎn)者／消費(fèi)者模式"。這話聽著像繞口令，為了便于理解，畫張圖給大伙兒瞅一瞅。

這么做的關(guān)鍵點(diǎn)在于把代碼分為兩部分：生產(chǎn)線程和消費(fèi)線程屬于和業(yè)務(wù)邏輯相關(guān)的代碼（和通訊邏輯無關(guān)）；發(fā)送線程和接收線程屬于通訊相關(guān)的代碼（和業(yè)務(wù)邏輯無關(guān)）。

這樣的好處是很明顯的，具體如下：

1、能夠應(yīng)對暫時性的網(wǎng)絡(luò)故障。并且在網(wǎng)絡(luò)故障解除后，能夠繼續(xù)工作。

2、網(wǎng)絡(luò)故障的應(yīng)對處理方式（比如斷開后的嘗試重連），只影響發(fā)送和接收線程，不會影響生產(chǎn)線程和消費(fèi)線程（業(yè)務(wù)邏輯部分）。

3、具體的SOCKET方式（阻塞和非阻塞）只影響發(fā)送和接收線程，不影響生產(chǎn)線程和消費(fèi)線程（業(yè)務(wù)邏輯部分）。

4、不依賴TCP自身的發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)。（默認(rèn)的TCP緩沖區(qū)的大小可能無法滿足實(shí)際要求）

5、業(yè)務(wù)邏輯的變化（比如業(yè)務(wù)需求變更）不影響發(fā)送線程和接收線程。

針對上述的最后一條，再多啰嗦幾句。如果整個業(yè)務(wù)系統(tǒng)中有多個進(jìn)程是采用上述的模式，那或許可以重構(gòu)一把：在業(yè)務(wù)邏輯代碼和通訊邏輯代碼之間切一刀，把業(yè)務(wù)邏輯無關(guān)的部分封裝成一個通訊中間件（說中間件顯得比較牛X :-）。如果大伙兒對這玩意兒有興趣，以后專門開個帖子聊。

[3]：環(huán)形緩沖區(qū)

前一個帖子提及了隊(duì)列緩沖區(qū)可能存在的性能問題及解決方法：環(huán)形緩沖區(qū)。今天就專門來描述一下這個話題。

為了防止有人給咱扣上“過度設(shè)計”的大帽子，事先聲明一下：只有當(dāng)存儲空間的分配／釋放非常頻繁并且確實(shí)產(chǎn)生了明顯的影響，你才應(yīng)該考慮環(huán)形緩沖區(qū)的使用。否則的話，還是老老實(shí)實(shí)用最基本、最簡單的隊(duì)列緩沖區(qū)吧。還有一點(diǎn)需要說明一下：本文所提及的“存儲空間”，不僅包括內(nèi)存，還可能包括諸如硬盤之類的存儲介質(zhì)。

★環(huán)形緩沖區(qū) vs 隊(duì)列緩沖區(qū)

◇外部接口相似

在介紹環(huán)形緩沖區(qū)之前，咱們先來回顧一下普通的隊(duì)列。普通的隊(duì)列有一個寫入端和一個讀出端。隊(duì)列為空的時候，讀出端無法讀取數(shù)據(jù)；當(dāng)隊(duì)列滿（達(dá)到最大尺寸）時，寫入端無法寫入數(shù)據(jù)。

對于使用者來講，環(huán)形緩沖區(qū)和隊(duì)列緩沖區(qū)是一樣的。它也有一個寫入端（用于push）和一個讀出端（用于pop），也有緩沖區(qū)“滿”和“空”的狀態(tài)。所以，從隊(duì)列緩沖區(qū)切換到環(huán)形緩沖區(qū)，對于使用者來說能比較平滑地過渡。

◇內(nèi)部結(jié)構(gòu)迥異

雖然兩者的對外接口差不多，但是內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)作機(jī)制有很大差別。隊(duì)列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)此處就不多啰嗦了。重點(diǎn)介紹一下環(huán)形緩沖區(qū)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

大伙兒可以把環(huán)形緩沖區(qū)的讀出端（以下簡稱R）和寫入端（以下簡稱W）想象成是兩個人在體育場跑道上追逐（R追W）。當(dāng)R追上W的時候，就是緩沖區(qū)為空；當(dāng)W追上R的時候（W比R多跑一圈），就是緩沖區(qū)滿。

為了形象起見，去找來一張圖并略作修改，如下：

從上圖可以看出，環(huán)形緩沖區(qū)所有的push和pop操作都是在一個固定的存儲空間內(nèi)進(jìn)行。而隊(duì)列緩沖區(qū)在push的時候，可能會分配存儲空間用于存儲新元素；在pop時，可能會釋放廢棄元素的存儲空間。所以環(huán)形方式相比隊(duì)列方式，少掉了對于緩沖區(qū)元素所用存儲空間的分配、釋放。這是環(huán)形緩沖區(qū)的一個主要優(yōu)勢。

★環(huán)形緩沖區(qū)的實(shí)現(xiàn)

如果你手頭已經(jīng)有現(xiàn)成的環(huán)形緩沖區(qū)可供使用，并且你對環(huán)形緩沖區(qū)的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)不感興趣，可以跳過這段。

◇數(shù)組方式 vs 鏈表方式

環(huán)形緩沖區(qū)的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，即可基于數(shù)組（此處的數(shù)組，泛指連續(xù)存儲空間）實(shí)現(xiàn)，也可基于鏈表實(shí)現(xiàn)。

數(shù)組在物理存儲上是一維的連續(xù)線性結(jié)構(gòu)，可以在初始化時，把存儲空間一次性分配好，這是數(shù)組方式的優(yōu)點(diǎn)。但是要使用數(shù)組來模擬環(huán)，你必須在邏輯上把數(shù)組的頭和尾相連。在順序遍歷數(shù)組時，對尾部元素（最后一個元素）要作一下特殊處理。訪問尾部元素的下一個元素時，要重新回到頭部元素（第0個元素）。如下圖所示：

使用鏈表的方式，正好和數(shù)組相反：鏈表省去了頭尾相連的特殊處理。但是鏈表在初始化的時候比較繁瑣，而且在有些場合（比如后面提到的跨進(jìn)程的IPC）不太方便使用。

◇讀寫操作

環(huán)形緩沖區(qū)要維護(hù)兩個索引，分別對應(yīng)寫入端（W）和讀取端（R）。寫入（push）的時候，先確保環(huán)沒滿，然后把數(shù)據(jù)復(fù)制到W所對應(yīng)的元素，最后W指向下一個元素；讀取（pop）的時候，先確保環(huán)沒空，然后返回R對應(yīng)的元素，最后R指向下一個元素。

◇判斷“空”和“滿”

上述的操作并不復(fù)雜，不過有一個小小的麻煩：空環(huán)和滿環(huán)的時候，R和W都指向同一個位置！這樣就無法判斷到底是“空”還是“滿”。大體上有兩種方法可以解決該問題。

辦法1：始終保持一個元素不用

當(dāng)空環(huán)的時候，R和W重疊。當(dāng)W比R跑得快，追到距離R還有一個元素間隔的時候，就認(rèn)為環(huán)已經(jīng)滿。當(dāng)環(huán)內(nèi)元素占用的存儲空間較大的時候，這種辦法顯得很土（浪費(fèi)空間）。

辦法2：維護(hù)額外變量

如果不喜歡上述辦法，還可以采用額外的變量來解決。比如可以用一個整數(shù)記錄當(dāng)前環(huán)中已經(jīng)保存的元素個數(shù)（該整數(shù)>=0）。當(dāng)R和W重疊的時候，通過該變量就可以知道是“空”還是“滿”。

◇元素的存儲

由于環(huán)形緩沖區(qū)本身就是要降低存儲空間分配的開銷，因此緩沖區(qū)中元素的類型要選好。盡量存儲值類型的數(shù)據(jù)，而不要存儲指針（引用）類型的數(shù)據(jù)。因?yàn)橹羔橆愋偷臄?shù)據(jù)又會引起存儲空間（比如堆內(nèi)存）的分配和釋放，使得環(huán)形緩沖區(qū)的效果打折扣。

★應(yīng)用場合

剛才介紹了環(huán)形緩沖區(qū)內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。按照前一個帖子的慣例，我們來介紹一下在線程和進(jìn)程方式下的使用。

如果你所使用的編程語言和開發(fā)庫中帶有現(xiàn)成的、成熟的環(huán)形緩沖區(qū)，強(qiáng)烈建議使用現(xiàn)成的庫，不要重新制造輪子；確實(shí)找不到現(xiàn)成的，才考慮自己實(shí)現(xiàn)。如果你純粹是業(yè)余時間練練手，那另當(dāng)別論。

◇用于并發(fā)線程

和線程中的隊(duì)列緩沖區(qū)類似，線程中的環(huán)形緩沖區(qū)也要考慮線程安全的問題。除非你使用的環(huán)形緩沖區(qū)的庫已經(jīng)幫你實(shí)現(xiàn)了線程安全，否則你還是得自己動手搞定。線程方式下的環(huán)形緩沖區(qū)用得比較多，相關(guān)的網(wǎng)上資料也多，下面就大致介紹幾個。

對于C++的程序員，強(qiáng)烈推薦使用boost提供的circular_buffer模板，該模板最開始是在boost 1.35版本中引入的。鑒于boost在C++社區(qū)中的地位，大伙兒應(yīng)該可以放心使用該模板。

對于C程序員，可以去看看開源項(xiàng)目circbuf，不過該項(xiàng)目是GPL協(xié)議的，不太爽；而且活躍度不太高；而且只有一個開發(fā)人員。大伙兒慎用！建議只拿它當(dāng)參考。

對于C#程序員，可以參考CodeProject上的一個示例。

◇用于并發(fā)進(jìn)程

進(jìn)程間的環(huán)形緩沖區(qū)，似乎少有現(xiàn)成的庫可用。大伙兒只好自己動手、豐衣足食了。

適用于進(jìn)程間環(huán)形緩沖的IPC類型，常見的有共享內(nèi)存和文件。在這兩種方式上進(jìn)行環(huán)形緩沖，通常都采用數(shù)組的方式實(shí)現(xiàn)。程序事先分配好一個固定長度的存儲空間，然后具體的讀寫操作、判斷“空”和“滿”、元素存儲等細(xì)節(jié)就可參照前面所說的來進(jìn)行。

共享內(nèi)存方式的性能很好，適用于數(shù)據(jù)流量很大的場景。但是有些語言（比如Java）對于共享內(nèi)存不支持。因此，該方式在多語言協(xié)同開發(fā)的系統(tǒng)中，會有一定的局限性。

而文件方式在編程語言方面支持很好，幾乎所有編程語言都支持操作文件。但它可能會受限于磁盤讀寫（Disk I/O）的性能。所以文件方式不太適合于快速數(shù)據(jù)傳輸；但是對于某些“數(shù)據(jù)單元”很大的場合，文件方式是值得考慮的。

對于進(jìn)程間的環(huán)形緩沖區(qū)，同樣要考慮好進(jìn)程間的同步、互斥等問題，限于篇幅，此處就不細(xì)說了。

下一個帖子，咱們來聊一下雙緩沖區(qū)的使用。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的生产者/消费者模式的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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