【最佳实践】生产者和消费者模式中的双缓冲技术

【这篇文章说了啥】

    这篇文章主要介绍了在生产者-消费者模式中，生产和消费之间有大量数据需要交互时的一个高效率的解决方案。

【问题引入】

1. 问题场景

    在设计模式中，生产者-消费者模式肯定是排在前面位置的，在实际开发过程中，也常常需要使用这个模式。

    在讲解设计模式的书籍中，只会从抽象的角度对生产者-消费者模式进行讲解。面对实际的编程问题，还需要具体问题具体分析。

    这里给出一个使用场景，你可以停下来思考一下该如何解决问题：

    你需要实现一个日志库，每一个线程调用日志库API函数来写入日志信息，所有的日志信息需要持久化到本地的文件系统。

    咱们来分析一下，有哪些问题需要解决：

（1）多线程调用日志库的API，所以API函数必须是线程安全的。

（2）日志信息无法预计频率，要考虑波峰和波谷。

（3）日志信息需要持久化到本地文件系统中，涉及到文件操作，而文件的IO操作速度相对于CPU来说是很慢的。

（4）每一条日志信息不应该是立刻写入到文件，而是应该缓存在内存中，当数据量积累到一定的大小再写入到文件(当然，也要考虑定时写入文件)。

2. 解决思路

    咱们再回到生产者-消费者模式上。书籍上在介绍这种模式时，一般都是同步模式，即：

        生产者产生一个数据后通知消费者，然后等待数据被“消费”；

        消费者收到生产者的通知后，“消费”数据，然后再通知生产者继续生产。

    生产和消费交替执行，所以我称之为同步模式。

    但是，在上面所说的日志系统中，显然不能用同步模式。因为日志的产生速度与写文件速度是无法预估的，例如：在某个场景下日志的产生速度非常快，而在另一个场景下日志的产生速度特别慢。

    对于这样的需求，生产者（日志的产生）和消费者（把日志写入文件）速度不匹配，显然应该使用不同的线程来执行。此时，你是不是立刻想到使用消息队列来进行数据缓冲，不就解决了这个速度不匹配的问题？也就是这样：

    生产者：往队列的头部插入日志信息（入队）

    消费者：从队列的尾部读取日志信息（出队）

    当然，你还考虑到因为他们是不同的线程，在操作同一个队列时，需要用一个锁(Mutex)来保护消息队列。大概就是这个样子：

    看起来很完美，但是有一个问题：消费者从消息队列每读取一条日志信息就，写入文件系统，但是写文件操作是很耗时的。频繁的从消息队列中获取数据，而且每次都要上锁，一定会对生产者的写日志效率产生影响，因为生产者也要对消息队列上锁才能把日志信息插入队列的头部，如果此时消息队列正好被消费者锁住了，那么生产者就必须伤心的等待了~~这样就会很大影响到日志系统整体的吞吐率。

3. 使用双缓冲

    既然消费者的写文件速度比较慢，一定不能影响了生产者的写入效率，所以我们可以用两个消息队列来分别存储：正在写入的日志信息，正在读取的日志信息，也就是所谓的“双缓冲”技术。用图画出来就是这个样子：

    注意上图中，内存中用来缓存日志的空间不一定要用消息队列，因为日志信息往往都是字符串类型，直接用一块连续的堆或栈的空间来存储就可以了，所以图中就用“缓冲区1”、“缓冲区2”来表示。

    在这个模型中，生产者向缓冲区1中写日志信息；而消费者从缓冲区2中读取日志信息，这样的话，消费者的写文件操作无论怎么慢都不会影响到生产者产生日志了。

    此时，你肯定要说：缓冲区1和缓冲区2是两个独立的内存空间，当缓冲区1被写满后如何把其中的内容“复制”到缓冲区2中呢？

    好问题，这也是日志系统实现高吞吐率的关键地方！

4. 缓冲区交换

    最直觉的想法就是在某个时刻(比如：缓冲区1写满了，缓冲区2空了，定时)，把缓冲器1中的内容用memcpy或者其他的系统函数，复制到缓冲区2中。 当然在复制数据的过程中需要对这两个缓冲区都上锁，在临界区完成复制或者移动操作，而且这个移动操作要尽可能的快，这样才能对生产者和消费者产生最小的影响。但是如果数据量比较大，复制操作还是比较耗时。

    再仔细想想，其实我们需要的不是真正的“复制”操作，而是有一个地方让生产者存放产生的数据，同样的有一个地方让消费者读取数据，只要达成这个目的就可以了。

    还有一个更好的方法，就是直接交换两个缓冲区的地址。我们只需要把生产者在写入数据时的指向缓冲区1的指针重新指向缓冲区2， 把消费者读取数据时指向的缓冲区2的指针重新指向缓冲区1，这样就达到了交换缓冲区的目的了。

    交换缓冲区之前：生产者向缓冲区1中写日志，消费者从缓冲区2中读日志。

    交换缓冲区之后：生产者向缓冲区2中写日志，消费者从缓冲区1中读日志。

    在执行交换操作的时候，也需要对这两个缓冲区上锁。但是在这个临界区操作的是：交换两个指针所指向的缓冲区空间，所以执行速度会非常快。

    具体到语言层面，对于C来说就是交换两个4字节的地址，对于C++来说可以利用容器类型的swap函数。

    这样画图更好理解：

    图中：左侧是执行交换操作之前的样子，右侧是执行交换操作之后的样子。可以看到生产者和消费者在任意时刻操作的都是不同的缓冲区，所以不存在相互影响，而且也达到了快速交换内容的目的。

    通过这样的双缓冲技术实现的日志系统，实际测试下来发现，吞吐率比很多开源的日志库要高很多。大家如果有兴趣，可以简单测试一下。

【总结】

    写到这里，我想表达的内容基本结束了。

    你可能还有其他的一些疑点，比如：什么时候交换缓冲区？写入缓冲区满了之后怎么处理？这些就属于另一个话题了。

    在这个实际的使用场景中，通过双缓冲技术，很好地解决了生产者和消费者之间的异步操作和速度不匹配问题，提高了日志系统的整体吞吐率。