設計模式與程式架構(七)

※ 生產者和消費者模式

定義：

生產者和消費者在同一時間內共同存取某一個資料空間。生產者負責生成數據並將其放入共享空間，消費者負責從共享空間中取走數據進行處理。兩者之間互不相干，也不須互相知道對方的存在。

• 共同存取資料空間：生產者和消費者共享同一個資料空間。這個空間通常是緩衝區或隊列，用於在它們之間傳遞數據。
• 生產者和消費者的操作：

1. 生產者：負責生成數據並將其放入共享空間。
2. 消費者：負責從共享空間中取走數據並進行處理。

• 互不相干：生產者和消費者彼此獨立運作，彼此之間不需要了解對方的存在或狀態。它們之間的唯一通信方式是通過共享的資料空間。

優點：

• 生產者與消費者之間完全解耦合：

1. 生產者和消費者彼此獨立，互不依賴，只通過共享的資料空間進行通信。
2. 這種解耦提高了系統的靈活性和可擴展性，使得系統更容易維護和擴展。例如，可以獨立地增加或減少生產者或消費者的數量。

• 在多線程的系統架構中依然容易實作：

1. 生產者/消費者模式簡化了多線程環境下的數據傳遞和協作。
2. 通常使用緩衝區或隊列來實現這種模式，可以有效避免線程間的競爭條件，確保數據一致性和系統穩定性。

※ 什麼是 Message Queue(MQ)？

定義：

Message Queue (MQ)，又稱為消息佇列，是一種訊息傳遞仲介。在這種架構中，生產者（Producer）生成並發送消息，仲介（Broker）管理和傳遞消息，消費者（Consumer）接收並處理消息。消息佇列提供了不同程序或不同系統之間的非同步溝通。

優點：

• 非同步溝通：生產者和消費者可以用不同的速度工作，彼此不需要等待對方完成操作。
• 系統解耦：生產者和消費者之間不直接通信，而是通過消息佇列進行間接通信，這提高了系統的靈活性和可維護性。
• 暫存容錯：當消費者（Consumer）意外關閉或出現故障時，未處理完的消息會暫存在消息佇列（MQ）中，並不會丟失。這些消息可以在消費者重啟後繼續處理。這種特性確保了系統的穩定性和可恢復性。
• 可靠性：消息佇列通常具有消息持久化和重試機制，確保消息不會丟失。
• 水平擴展Producer和Consumer：Producer 可以分散在不同來源、裝置收集（例如 IoT （物聯網）應用）；Consumer 可以按照需求和資源，運行在多台機器上，加速訊息（任務）的消化和處理。
• 可擴展性：可以輕鬆地增加更多的生產者或消費者來應對負載變化，保持系統的高效運行。

常用套件：

• RabbitMQ：是一個支持多種主流程式語言的消息佇列系統。例如：Node.js、Golang、Java、C/C++，Python。
• Redis：是一個流行的開源內存資料庫，被廣泛用作快取（cache）和儲存服務。它特別適合需要快速存取和高效處理數據的應用場景。 特別是和Node.js 的結合能夠為應用帶來高效的數據處理和管理能力。

※ 簡單的生產者-消費者模式的實現範例解說

const buffer = <any>[] //用一個array當作是緩衝區
const MAX_BUFFER = 10 //緩衝區最大上限

//設一個生產者
class Producer {
  private buffer: any[]
  //告訴它buffer
  constructor(buffer: any[]) {
    this.buffer = buffer
  }
  //產生一個容易被發現的內容
  random = () => String(~(Math.random() * 1000)).padStart(3, "0")
  start = () => {
  //使用 setInterval 定時器
    setInterval(() => {
      //每秒產生消息往緩衝區塞資料
      if (this.buffer.length >= MAX_BUFFER)
        return console.warn("緩衝區已滿，請稍等")
      //產生message的內容
      const msg = "內容" + this.random()
      console.log("產生" + msg)
      //將資料放進buffer
      this.buffer.push(msg)
    }, 1000)
  }
}
//設一個消費者
class Consumer {
  private buffer: any[]
  constructor(buffer: any[]) {
    this.buffer = buffer
  }
  start = () => {
    setInterval(() => {
      //消費者往緩衝區拿資料
      if (this.buffer.length <= 0) return console.warn("緩衝區已空，請稍等")

      //將資料取出來處理
      const msg = this.buffer.shift()
      console.log("取出", msg, "來處理")
    }, 1200)
  }
}
//緩衝區監控器來偵測buffer內的資料有哪些
const buffer_monitor = setInterval(() => {
  console.log("--> 緩衝區目前有", buffer.length, "筆資料")
}, 500)

//建立生產者和消費者實例，並將共享的 buffer 傳遞給它們
const producer = new Producer(buffer)
const consumer = new Consumer(buffer)

// 啟動生產者和消費者
producer.start()
consumer.start()
/**--> 緩衝區目前有 0 筆資料
產生內容-684
--> 緩衝區目前有 1 筆資料
取出 內容-684 來處理
--> 緩衝區目前有 0 筆資料
產生內容-380
--> 緩衝區目前有 1 筆資料
取出 內容-380 來處理
-->不斷產出資料直到terminal結束/*