看程序员怎么解决食堂排队问题

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作者

寒食君i

原文标题

食堂中的生产-消费模型

如需转载，请联系原作者授权。

在学校的时候，我不爱去食堂成功，一是由于暗黑料理，更重要的一点是人太多了，队伍往往从窗口排到了门口，点菜、计算价格、付款三种业务由打饭阿姨一人完成，思维切换忙碌，操作变更频繁，导致效率低下，降低了食堂的吞吐量，造成了不好的用户体验。

而最近在公司食堂吃饭，发现是另外一种设计：工作人员向餐台上添加食物，两条通道对顾客进行分流，顾客依次进入队列然后对餐台上的食物进行自取，最后在队列出口进行结账。

变成了这样：

在学校食堂提供的打饭服务中，是由打饭阿姨单独完成一系列的操作。而在公司食堂，则将打饭解耦成了排盘与收银两个服务，降低了每个工作人员的工作复杂度，使其能更加专注于自己负责的工作。

同时，在学校食堂中，一名学生在打饭的同时，排在队伍后面的同学是出于等待状态，等待获取打饭阿姨的服务，这对于打饭阿姨的性能是极大的浪费。

而在公司食堂，这是一种生产-消费的模型。我们来看看都有些什么？

首先，消费者是谁？肯定是来用餐的顾客，消费的东西是什么？是餐台上的食物。而生产者则是将食物摆上餐台的工作人员。

那么将这个场景抽象化，可以用这张图来表示：

这张图主要包含了这些信息：

• 一个数据仓库

  用于数据缓存，生产者生产完数据放入，消费者从中取出。它有两个注意点：

1. 1. 同步，即生产者和消费者不能同时访问数据仓库。对应到现实世界，你可以理解为：顾客和工作人员不会在一个瞬间去访问餐台，两个顾客也不能在同一瞬间去争抢同一盘食物。

   2. 当仓库满了，生产者无法再添加数据进去，将处于阻塞状态，并提醒消费者进行消费；当仓库为空，消费者无法从中获取数据。处于阻塞状态，并提醒生产者进行生产。

• 两种角色：生产者、消费者。

• 两种关系：

1. 1. 依赖关系：生产者与消费者

   2. 竞争关系：生产者与生产者、消费者与消费者

那如何使用这种模型，将食堂这个场景来实现还原呢？我们可以这么分析：

1. 数据仓库可以使用一个队列或数组来实现。但是要注意同步。我们这里选择java.util.concurrent包下的BlockingQueue，它有着已经实现的阻塞添加和阻塞删除的特性。当然也可以用一个List去自己实现。

2. 生产者是一些线程，生产一些数据，将其入队。

3. 消费者是一些线程，从队首获取数据，将其消费。

核心概念就是以上三点，那么我们接下来用代码简单实现一下。预期目标是让整个流程自动运行起来。

首先我们来定义一个食物类 Food ，这里从简，只给它一个 id 属性。

 1public class Food {
 2    private int id;
 3    //含参构造函数，这里用不到无参构造器，所以可以不写。否则新建对象将会出错。
 4    public Food(int id){
 5        this.id=id;
 6    }
 7    //get/set
 8    public int getId() {
 9        return id;
10    }
11    public void setId(int id) {
12        this.id = id;
13    }
14}

接着我们来编写生产者类 Producer 和消费者 Consumer ,让我们来想想这两个类该怎么去编写？

首先我们需要使用组合的方式来加入一条 BlockingQueue （阻塞队列），它是整个问题的核心，又由于这个容器是只用来存放 Food 的，我们可以加上泛型。

之前也提到了，Food有一个属性是id，那么这个id从何而来呢？应该是生产者生产Food时赋予的，而由于多位生产者在同时生产，为了保证id的唯一性，我们需要对其进行原子化的自增操作。这里我们可以使用java.util.concurrent.atomic包中的AtomicInteger，当然如果使用int，然后自己做一些同步操作也是可以的。（若这里对Java内存模型JMM不了解的，可以去阅读我写过的这篇文章： 由浅入深Java内存模型 ）

那么， Producer 类可以这么写,将每个工作线程当作一名生产者，并作一些必要的文字输出，方便控制台观察:

 1public class Producer implements Runnable {
 2    private boolean working=true;
 3    private BlockingQueue<Food> queue;
 4    private static AtomicInteger count = new AtomicInteger();
 5    //构造函数
 6    public Producer(BlockingQueue<Food> queue){
 7        this.queue=queue;
 8    }
 9    @Override
10    public void run() {
11        while(working){
12            int id=count.incrementAndGet();
13            Food food=new Food(id);
14//            System.out.println(Thread.currentThread().getId()+"号员工开始工作");
15            if(queue.offer(food)){
16                System.out.println(Thread.currentThread().getId()+"号员工将"+food.getId()+"号食物加入餐台");
17            }else {
18                System.out.println("餐台已满，"+food.getId()+"号食物无法加入");
19            }
20            try {
21                Thread.sleep(1000*3);
22            } catch (InterruptedException e) {
23                e.printStackTrace();
24            }
25        }
26    }
27    public  void stop(){
28        working=false;
29    }
30}

同理， Consumer 可以这么写：

 1public class Consumer implements Runnable {
 2    private boolean working=true;
 3    private BlockingQueue<Food> queue;
 4//含参构造函数
 5    public Consumer(BlockingQueue<Food> queue){
 6        this.queue=queue;
 7    }
 8    @Override
 9    public void run() {
10        while (true){
11            try {
12                Food food=queue.take();//take()方式，若队列中没有元素则线程被阻塞
13                System.out.println(food.getId()+"号食物已被"+Thread.currentThread().getId()+"号顾客端走");
14                Thread.sleep(1000*2);
15            } catch (InterruptedException e) {
16                e.printStackTrace();
17            }
18        }
19
20    }
21}

最后，就是主函数调用了，我们使用线程池来对线程进行分配，这里我将数据队列定义为10个元素空间，线程池使用了newFixedThreadPool方式来规定5条线程，初始化3名生产者和15名消费者。

Main.java

 1public class Main {
 2    public static void main(String[] args) {
 3        BlockingQueue<Food> queue = new LinkedBlockingDeque<>(10);
 4        Producer[] p=new Producer[3];
 5        Consumer[] c=new Consumer[15];
 6        for (int i=0;i<3;i++){
 7            p[i]=new Producer(queue);
 8        }
 9        for (int j=0;j<15;j++){
10            c[j]=new Consumer(queue);
11        }
12        ExecutorService executorService= Executors.newFixedThreadPool(5);
13        for (int i=0;i<3;i++){
14            executorService.execute(p[i]);
15        }
16        for (int j=0;j<15;j++){
17            executorService.execute(c[j]);
18        }
19        try {
20            Thread.sleep(1000*20);
21        } catch (InterruptedException e) {
22            e.printStackTrace();
23        }
24    }
25}

下面就是食堂开张的时刻了