3.1 生產者與消費者模型 (producer-consumers pattern)

依慣例，在說明生產者與消費者模型之前，先用一個現實的情境來舉例。

A 公司推出新的 3C 產品，預計會有兩、三波的搶購熱潮。

所以它找了三間代工廠，幫它預先生產了五萬組商品，放在集貨倉庫之中。後續持續生產三萬組。
如它預期，一上巿果然引起搶購熱潮，庫存在幾天內，就將商品售完。消費者因為沒有現貨，只能等待到貨。

A 公司評估銷售後，這情況，決定新增一間代工廠，追加兩萬組商品。
那知好景不長，B 公司推出殺手級的商品，大部份旳消費者轉向購買 B 公司的商品。
A 公司只能將緊急中止新代工廠的訂單，待原本代工廠完成原本的訂單後，停止生產。而己經生產的商品，持續放在倉庫中，等待消費者來購買。

在上面的故事中，我們看到三個角色。這三個角色動作的時間點與作用均不相同。

• 代工廠：在銷售前的預生產；銷售中的持續生產；最後完成訂單後，停止生產。
• 集貨倉庫：商品的存放區。
• 消費者：銷售後的購買行為。

其中，代工廠作為生產者，負責產生資源(商品)。集貨倉庫可視為 Queue，負責資源的暫存緩衝與資源調派。消費者，就負責把資源取走、使用。

而且，在實例中，我們可以看到一些特性。

• 解耦

  代工廠與消費者中間，透過集貨倉庫，將兩端隔離。不會發生消費者直接衝到代工廠內，大喊我要商品，快給我。或是代工廠衝到消費者面對，大喊給我買。

  透過集貨倉庫，代工廠不會知道有那些消費者會來購買商品。相同的，消費者也不知道商品是那些代工廠所生產的。

  A 公司決定更換代工廠，對消費者完全沒影響。消費者的身分，由個人購買更換為公司行號大量購買，對代工廠也沒有影響。因為兩者而言，它們所聚焦的重點在於商品本身，而非其他對象。

• 並發

  以代工廠的角度，代工廠將生產出來的商品放到集貨倉庫，完全不需考慮商品的銷售情況。A 公司可以依商品的銷售情況，增減代工廠的數量。

  以消費者的角度：如果商品本身很受歡迎，有購買意願的消費者數量就會增加。反之，如果沒有購買意願，消費者的數量就會減少。而不需理會代工廠產生的商品數量。

• 速率不均

  在上面的例子中，因為商品生產的速度比較慢，所在代工廠在銷售之前，就預先生產五萬商品。但是因為消費者購買速率遠大於生產速度，造成售完的情況。

  雖然，A 公司預估預產商品錯誤有誤，讓商品出現售完的情況。偶後，因為滯銷的情況，讓後面生商出來的商品只能存放於倉庫，等待慢慢銷售。

  但換個角度，正是因為有集貨倉庫，讓商品可以預生產與滯銷的週轉空間。

將上面提到的三個特性，試著以軟體系統的角度解讀。

• 解耦

  若將生產者與消費者分別視為兩個不同的 A、B 模組。

  當發生 A 模組直接調用 B 模組的方法，兩者之間就建立起耦合關係。若將來 B 模組的方法變更，就可能影響到 A。

  利用 Queue 將兩者隔離，讓兩者依賴於 Queue，A、B 模組之間沒有直接依賴，解決其耦合關係。

• 並發

  系統可以依據最重要資源數量，動態決定是增加產生資源的生產者數量，還是減少處理資源的消費者數量。

• 速率不均

  有時資料的產生，可能是一瞬間突然湧進，利用 Queue 的緩衝特性，讓來不及處理的資料可以先暫存下來，等後面產生資料的速度慢下來後，可以處理完成。

所以，Queue 的使用情境，可以彙整為以下幾點。

• 速率不對等：產生資料的速度與處理資料的速度不同。
• 避免高耦合：不希望產生資料的模組與處理資料的模組直接相互存取，避免高耦合。
• 並發性處理：同時可以多線程的產生資料，或是處理資料。
• 資源的調配：當 Queue 塞滿資源時，要讓生產端得知；不存在任何資料時，則需處理端知道。

因為這種需要處理的問題，一再反覆出現。當其具有規則性旳部份，統整為一個模型，就是生產者與消費者模型(producer-consumers pattern)

同時並發、速率不均的因素，如何有效管理資源放入或取出的正確性，就變得十分的重要。為此，對 Queue 有以下的要求。

• 當 Queue 己填滿資源，就要阻擋生產者持續產生資源，避免持續填入資源。
• 當 Queue 內部清空時，也要阻擋消費者繼續取得資源。

當符合兩點特性的 Queue ，稱為阻塞佇列 (BlockQueue) 。

接下來，介紹 Lock、Semaphore 與 BlackingQueue 三種同步機制，確保 Queue 內的共用資源的正確性。