.NET(C#)：使用安全執行緒集合快速解決生產者消費者問題

程式示範：

進入程式，首先得輸入最大容量，比如輸入10：

 

接下來生產線產生了，最初當然只有0個項目，我們現在開始生產5個項目，在“生產數量”中輸入5，如：

 

然後點擊“生產”，5個項目就被生產了：

 

接下來我們再生產12個項目，加上之前的5個項目，此時一共會生產17個項目，但是總容量是10，所以會有7個生產項目要等待（線程阻塞）：

 

接著再去生產10個項目，此時已經有7個生產項目在等待狀態，後續的生產項目需求會疊加：

 

現在的情況是：有10個項目已經被生產，還有17個項目等待被生產，下面我們消費5個項目，結果如下：

 

當5個項目被消費後，等待生產的項目立即開始生產，知道容量又一次到最大值10，而左面等待生產的項目個數變成了12（減少了5個）。

下面直接消費100個，結果：

 

由於之前有10個被生產，12個在等待生產，所以等著22個項目被消費後，後續的消費無法滿足，因此有78個消費在等待。

 

最後再生產80個項目，其中78個會被消費，然後剩2個留在生產線上，如：

 

 

生產著消費者問題有非常多的解決方式，不過使用.NET 4.0+的安全執行緒集合解決起來非常簡單。使用者不需要自訂線程同步邏輯，直接使用安全執行緒集合，然後多線程去操作就可以了，當然，更具體些，使用BlockingCollection，它本身不是嚴格意義上的集合，而是包轉另一個安全執行緒集合使他具備阻塞功能。使用BlockingCollection來定義整個生產線集合。接著生產和消費問題就是在這個阻塞集合中進行添加和刪除操作，這裡我們會繼承BlockingCollection得天獨厚的優點，當向已滿的集合中添加值，或者向空集合中刪除值都會造成操作線程阻塞，知道該需求被完成，否則操作線程一直阻塞下去。

 

整個執行上核心就兩個類：Operator和RequestItem。

Operator包含著BlockingCollection，並提供封裝方法來調用BlockingCollection的Add和Take來進行生產和消費操作。

任何操作都被RequestItem來代表，這個類型儲存著操作次數，就是“生產5個項目”中的5。對於可以完成的命令，BlockingCollection顯然不會阻塞，然後根據操作次數執行生產或者消費操作，最後RequestItem會被刪除掉。但是如果命令無法得到滿足，此時BlockCollection會阻塞，相應的RequestItem也會留下，操作次數則代表等待的工作數，同時RequestItem也可以疊加。

 

可以參考：

 

執行上差不多這些，在介面更新上，Operator和RequestItem均繼承INotifyPropertyChanged介面來通知WPF屬性變化，同時生產和消費等待隊列被存到Operator中的ObservableCollection中，有點像MVVM中的ViewModel，但程式沒有用嚴格的MVVM模式來寫。

 

 

Operator類型：

Consumers屬性代表消費等待隊列。

Producers屬性代表生產等待隊列。

Count和Capacity分別代表當前生產線項目個數和總容量。注意由於總容量Capacity不會變因此沒必要像Count屬性那樣進行改變通知。

public ObservableCollection<RequestItem> Consumers { get; private set; }

public ObservableCollection<RequestItem> Producers { get; private set; }

public int Capacity { get; private set; }

 

#region Count

 

private int _Count = 0;

public int Count

{

    get { return _Count; }

    protected set

    {

        if (_Count != value)

        {

            _Count = value;

            OnPropertyChanged("Count");

        }

    }

}

 

RequestItem則更簡單了，只有一個Count屬性代表運算元。

 

最後生產或者消費操作的執行就順水推舟了，我們以生產方法：Produce來樣本（代碼中有注釋）：

public void Produce(int count)

{

    //用另一個線程來操作BlockingCollection

    Task.Factory.StartNew(() =>

    {

        //產生RequestItem

        var item = new RequestItem(count);

        //將RequestItem加入到生產等待隊列中

        //UIAction方法是用WPF間接調用WPF Dispatcher的Invoke相關操作

        UIAction(() => Producers.Add(item));

        //嘗試進行生產操作

        for (int i = 0; i < count; i++)

        {

            //調用內部BlockingCollection的Add方法

            blockingQueue.Add(0);

            //重要：此時代碼運行到這說明沒有阻塞，那麼生產成功

            UIAction(() =>

                {

                    //將等待運算元減1

                    --item.Count;

                    //將生產線項目個數加1

                    ++Count;

                });

        }

        //所有生產需求均被完成，將此生產需求從隊列中移除

        UIAction(() => Producers.Remove(item));

    });

}

 

OK，程式整體架構差不多是這樣，還有一些細節和介面上處理就不講了，有需要的話讀者可以參考原始碼。

 

原始碼下載

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原始碼環境：Microsoft Visual C# 2010 Express