《Thinking in Java》多線程仿真實戰：銀行出納員、飯店點餐、汽車裝配線三大經典模型完整實現

前言

《Thinking in Java》第 21 章通過三個豐富的仿真案例，展示了阻塞隊列、線程協作、動態調度等並發核心模式。本文保留原著設計精髓，代碼升級為 Java 8+ 風格，並添加關鍵點註解。

案例一：銀行出納員動態調度系統

業務場景

• 客戶隨機到達，進入有限隊列排隊。
• 出納員從隊列取客服務，服務時間不定。
• 管理器根據「排隊長度/出納員數」比率動態增減出納員，平衡等待時間與資源成本。

核心組件設計

關鍵代碼片段：動態調度邏輯

public void adjustTellerNumber() {
    int ratio = customerLine.size() / workingTellers.size();
    if (ratio > 2) { // 排隊過長 → 增加出納員
        if (!tellersDoingOtherThings.isEmpty()) {
            Teller t = tellersDoingOtherThings.remove();
            t.serveCustomerLine(); // notifyAll 喚醒
            workingTellers.add(t);
        } else {
            Teller t = new Teller(customerLine);
            exec.execute(t);
            workingTellers.add(t);
        }
    } else if (workingTellers.size() > 1 && ratio < 2) { // 閒置過多 → 減少
        reassignOneTeller(); // 移至做其他事隊列
    }
}

運行效果

控制台實時打印隊列狀態與活躍出納員 ID，觀察隨負載自動擴縮容：

[Customer@1, Customer@2...] {T1 T2 T3}
[Customer@5...] {T1 T2}
[] {T1}

案例二：飯店點餐全流程協作

業務流程

1. 顧客入座 → 侍者分配。
2. 顧客點餐 → 侍者提交訂單到 orders 隊列。
3. 廚師從 orders 取單 → 製作 → 成品放入對應侍者的 filledOrders 隊列。
4. 侍者從 filledOrders 取盤 → 送達顧客 placeSetting（SynchronousQueue）。
5. 顧客 take() 盤子 → 用餐 → 循環下一道菜。

隊列拓撲：零直接耦合

Customer ──(placeOrder)──▶ WaitPerson ──(orders.put)──▶ Restaurant.orders
Chef ──(orders.take)──▶ Restaurant.orders
Chef ──(filledOrders.put)──▶ WaitPerson.filledOrders
WaitPerson ──(placeSetting.put)──▶ Customer.placeSetting (SynchronousQueue)
Customer ──(placeSetting.take)──▶ 用餐

精妙點：所有線程間零直接調用，完全通過阻塞隊列傳遞消息對象，實現「共享內存」→「通信共享內存」範式轉換。

關鍵類結構

• Order：攜帶 customer、waitPerson、food 信息的傳遞對象。
• Plate：成品載體，關聯 Order 以便路由回正確侍者/顧客。
• SynchronousQueue<Plate>：容量 0，put/take 必須配對，完美模擬「上菜-取菜」同步交接。

案例三：汽車裝配線——CyclicBarrier 同步裝配

流水線階段

1. ChassisBuilder：生產底盤 → chassisQueue。
2. Assembler：從 chassisQueue 取底盤 → 雇傭 3 類機器人並行裝配 → CyclicBarrier(4) 等待全部完成 → 放入 finishedQueue。
3. EngineRobot / DriveTrainRobot / WheelsRobot：實現 performService()，調用 Car.addXxx()。
4. RobotPool：管理機器人池，hire(Class<? extends Robot>, Assembler) 分配空閒機器人並 engage()。
5. Reporter：消費 finishedQueue 打印完整車輛信息。

CyclicBarrier 同步機制

// Assembler 中
private CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(4); // 1 Assembler + 3 Robots

// 雇傭機器人
robotPool.hire(EngineRobot.class, this);
robotPool.hire(DriveTrainRobot.class, this);
robotPool.hire(WheelsRobot.class, this);

barrier.await(); // 4 方到齊才繼續，保證單車裝配原子性
finishedQueue.put(car);

RobotPool 分配邏輯

public synchronized void hire(Class<? extends Robot> type, Assembler a) throws Exception {
    for (Robot r : pool) {
        if (r.getClass().equals(type)) {
            pool.remove(r);
            r.assignAssembler(a).engage(); // 關聯組裝線 + 喚醒線程
            return;
        }
    }
    wait(); // 池空則等待歸還
    hire(type, a); // 遞歸重試
}

設計亮點

• 資源池化：機器人復用，避免頻繁創建銷毀。
• 屏障同步：CyclicBarrier 確保 3 道工序並行且全部完成才流轉下一輛車。
• 狀態機：Robot 狀態：空閒 → 分配 → 執行 → 屏障等待 → 歸還池 → 掛起。

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三大案例並發模式總結對比

現代化改造建議（Java 21+）

• 使用 Virtual Threads (Project Loom) 替換平台線程，百萬級客戶/訂單無壓力。
• 用 Structured Concurrency (JEP 453) 管理線程組生命週期，自動傳播取消/異常。
• 用 Record 定義 Customer、Order、Plate 等不可變數據載體。
• 用 Sealed Interface 定義 Robot 類型層級，編譯期保證窮盡匹配。

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