Java 高并發(fā)七：并發(fā)設(shè)計(jì)模型詳解

更新時(shí)間：2016年09月09日 18:08:53 作者：Hosee

本文主要介紹Java高并發(fā) 并發(fā)設(shè)計(jì)模型的知識(shí)，這里主要講解 1. 什么是設(shè)計(jì)模式 2. 單例模式 3. 不變模式 4. Future模式 5. 生產(chǎn)者消費(fèi)者，有需要的小伙伴可以參考下

1. 什么是設(shè)計(jì)模式

在軟件工程中，設(shè)計(jì)模式（design pattern）是對(duì)軟件設(shè)計(jì)中普遍存在（反復(fù)出現(xiàn)）的各種問題，所提出的解決方案。這個(gè)術(shù)語是由埃里希·伽瑪（Erich Gamma）等人在1990年代從建筑設(shè)計(jì)領(lǐng) 域引入到計(jì)算機(jī)科學(xué)的。

著名的4人幫： Erich Gamma，Richard Helm, Ralph Johnson ,John Vlissides （Gof）

《設(shè)計(jì)模式：可復(fù)用面向?qū)ο筌浖幕A(chǔ)》收錄23種模式

2. 單例模式

單例對(duì)象的類必須保證只有一個(gè)實(shí)例存在。許多時(shí)候整個(gè)系統(tǒng)只需要擁有一個(gè)的全局對(duì)象，這樣有利于我們協(xié)調(diào)系統(tǒng)整體的行為

比如：全局信息配置

單例模式最簡單的實(shí)現(xiàn)：

public class Singleton {
 private Singleton() {
 System.out.println("Singleton is create");
 }
 private static Singleton instance = new Singleton();
 public static Singleton getInstance() {
 return instance;
 }
}

由私有構(gòu)造方法和static來確定唯一性。

缺點(diǎn)：何時(shí)產(chǎn)生實(shí)例不好控制

雖然我們知道，在類Singleton第一次被加載的時(shí)候，就產(chǎn)生了一個(gè)實(shí)例。

但是如果這個(gè)類中有其他屬性

public class Singleton {
 public static int STATUS=1; 
 private Singleton() {
 System.out.println("Singleton is create");
 }
 private static Singleton instance = new Singleton();
 public static Singleton getInstance() {
 return instance;
 }
}

當(dāng)使用

System.out.println(Singleton.STATUS);

這個(gè)實(shí)例就被產(chǎn)生了。也許此時(shí)你并不希望產(chǎn)生這個(gè)實(shí)例。

如果系統(tǒng)特別在意這個(gè)問題，這種單例的實(shí)現(xiàn)方法就不太好。

第二種單例模式的解決方式：

public class Singleton {
 private Singleton() {
 System.out.println("Singleton is create");
 }
 private static Singleton instance = null;
 public static synchronized Singleton getInstance() {
 if (instance == null)
 instance = new Singleton();
 return instance;
 }
}

讓instance只有在調(diào)用getInstance()方式時(shí)被創(chuàng)建，并且通過synchronized來確保線程安全。
這樣就控制了何時(shí)創(chuàng)建實(shí)例。

這種方法是延遲加載的典型。

但是有一個(gè)問題就是，在高并發(fā)的場景下性能會(huì)有影響，雖然只有一個(gè)判斷就return了，但是在并發(fā)量很高的情況下，或多或少都會(huì)有點(diǎn)影響，因?yàn)槎家ツ胹ynchronized的鎖。

為了高效，有了第三種方式：

public class StaticSingleton {
 private StaticSingleton(){ 
 System.out.println("StaticSingleton is create");
 }
 private static class SingletonHolder {
 private static StaticSingleton instance = new StaticSingleton();
 }
 public static StaticSingleton getInstance() {
 return SingletonHolder.instance;
 }
}

由于加載一個(gè)類時(shí)，其內(nèi)部類不會(huì)被加載。這樣保證了只有調(diào)用getInstance()時(shí)才會(huì)產(chǎn)生實(shí)例，控制了生成實(shí)例的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了延遲加載。

并且去掉了synchronized，讓性能更優(yōu)，用static來確保唯一性。

3. 不變模式

一個(gè)類的內(nèi)部狀態(tài)創(chuàng)建后，在整個(gè)生命期間都不會(huì)發(fā)生變化時(shí)，就是不變類

不變模式不需要同步

創(chuàng)建一個(gè)不變的類：

public final class Product {
 // 確保無子類
 private final String no;
 // 私有屬性，不會(huì)被其他對(duì)象獲取
 private final String name;
 // final保證屬性不會(huì)被2次賦值
 private final double price;

 public Product(String no, String name, double price) {
 // 在創(chuàng)建對(duì)象時(shí)，必須指定數(shù)據(jù)
 super();
 // 因?yàn)閯?chuàng)建之后，無法進(jìn)行修改
 this.no = no;
 this.name = name;
 this.price = price;
 }

 public String getNo() {
 return no;
 }

 public String getName() {
 return name;
 }

 public double getPrice() {
 return price;
 }

}

Java中不變的模式的案例有：

java.lang.String
java.lang.Boolean
java.lang.Byte
java.lang.Character
java.lang.Double
java.lang.Float
java.lang.Integer
java.lang.Long
java.lang.Short

4. Future模式

核心思想是異步調(diào)用

非異步：

異步：

第一次的call_return由于任務(wù)還沒完成，所以返回的是一個(gè)空的。

但是這個(gè)返回類似于購物中的訂單，將來可以根據(jù)這個(gè)訂單來得到一個(gè)結(jié)果。

所以這個(gè)Future模式意思就是，“未來”可以得到，就是指這個(gè)訂單或者說是契約，“承諾”未來就會(huì)給結(jié)果。

Future模式簡單的實(shí)現(xiàn)：

調(diào)用者得到的是一個(gè)Data，一開始可能是一個(gè)FutureData，因?yàn)镽ealData構(gòu)建很慢。在未來的某個(gè)時(shí)間，可以通過FutureData來得到RealData。

代碼實(shí)現(xiàn)：

public interface Data { 
 public String getResult (); 
}
public class FutureData implements Data { 
 protected RealData realdata = null; //FutureData是RealData的包裝 
 protected boolean isReady = false; 
 public synchronized void setRealData(RealData realdata) { 
 if (isReady) { 
 return; 
 } 
 this.realdata = realdata; 
 isReady = true; 
 notifyAll(); //RealData已經(jīng)被注入，通知getResult() 
 } 
 public synchronized String getResult()//會(huì)等待RealData構(gòu)造完成 
 { 
 while (!isReady) { 
 try {  
 wait(); //一直等待，知道RealData被注入 
 } catch (InterruptedException e) { 
 } 
 } 
 return realdata.result; //由RealData實(shí)現(xiàn) 
 } 
}
public class RealData implements Data {
 protected final String result;
 public RealData(String para) {
 // RealData的構(gòu)造可能很慢，需要用戶等待很久，這里使用sleep模擬
 StringBuffer sb = new StringBuffer();
 for (int i = 0; i < 10; i++) {
 sb.append(para);
 try {
 // 這里使用sleep，代替一個(gè)很慢的操作過程
 Thread.sleep(100);
 } catch (InterruptedException e) {
 }
 }
 result = sb.toString();
 }
 public String getResult() {
 return result;
 }
}
public class Client { 
 public Data request(final String queryStr) { 
 final FutureData future = new FutureData(); 
 new Thread() {
 public void run() 
 {
 // RealData的構(gòu)建很慢， 
 //所以在單獨(dú)的線程中進(jìn)行 
 RealData realdata = new RealData(queryStr);  
 future.setRealData(realdata); 
 }    
 }.start(); 
 return future; // FutureData會(huì)被立即返回 
 } 
}
public static void main(String[] args) {
 Client client = new Client();
 // 這里會(huì)立即返回，因?yàn)榈玫降氖荈utureData而不是RealData
 Data data = client.request("name");
 System.out.println("請(qǐng)求完畢");
 try {
 // 這里可以用一個(gè)sleep代替了對(duì)其他業(yè)務(wù)邏輯的處理
 // 在處理這些業(yè)務(wù)邏輯的過程中，RealData被創(chuàng)建，從而充分利用了等待時(shí)間
 Thread.sleep(2000);
 } catch (InterruptedException e) {
 }
 // 使用真實(shí)的數(shù)據(jù)
 System.out.println("數(shù)據(jù) = " + data.getResult());
 }

JDK中也有多Future模式的支持：

接下來使用JDK提供的類和方法來實(shí)現(xiàn)剛剛的代碼：

import java.util.concurrent.Callable;

public class RealData implements Callable<String> {
 private String para;

 public RealData(String para) {
 this.para = para;
 }

 @Override
 public String call() throws Exception {
 StringBuffer sb = new StringBuffer();
 for (int i = 0; i < 10; i++) {
 sb.append(para);
 try {
 Thread.sleep(100);
 } catch (InterruptedException e) {

 }
 }
 return sb.toString();
 }
}

import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.FutureTask;

public class FutureMain {
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException,
 ExecutionException {
 // 構(gòu)造FutureTask
 FutureTask<String> future = new FutureTask<String>(new RealData("a"));
 ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);
 // 執(zhí)行FutureTask，相當(dāng)于上例中的 client.request("a") 發(fā)送請(qǐng)求
 // 在這里開啟線程進(jìn)行RealData的call()執(zhí)行
 executor.submit(future);
 System.out.println("請(qǐng)求完畢");
 try {
 // 這里依然可以做額外的數(shù)據(jù)操作，這里使用sleep代替其他業(yè)務(wù)邏輯的處理
 Thread.sleep(2000);
 } catch (InterruptedException e) {
 }
 // 相當(dāng)于data.getResult ()，取得call()方法的返回值
 // 如果此時(shí)call()方法沒有執(zhí)行完成，則依然會(huì)等待
 System.out.println("數(shù)據(jù) = " + future.get());
 }
}

這里要注意的是FutureTask是即具有 Future功能又具有Runnable功能的類。所以又可以運(yùn)行，最后還能get。
當(dāng)然如果在調(diào)用到future.get()時(shí)，真實(shí)數(shù)據(jù)還沒準(zhǔn)備好，仍然會(huì)產(chǎn)生阻塞狀況，直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成。

當(dāng)然還有更加簡便的方式：

import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;

public class FutureMain2 {
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException,
 ExecutionException {
 ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);
 // 執(zhí)行FutureTask，相當(dāng)于上例中的 client.request("a") 發(fā)送請(qǐng)求
 // 在這里開啟線程進(jìn)行RealData的call()執(zhí)行
 Future<String> future = executor.submit(new RealData("a"));
 System.out.println("請(qǐng)求完畢");
 try {
 // 這里依然可以做額外的數(shù)據(jù)操作，這里使用sleep代替其他業(yè)務(wù)邏輯的處理
 Thread.sleep(2000);
 } catch (InterruptedException e) {
 }
 // 相當(dāng)于data.getResult ()，取得call()方法的返回值
 // 如果此時(shí)call()方法沒有執(zhí)行完成，則依然會(huì)等待
 System.out.println("數(shù)據(jù) = " + future.get());
 }
}

由于Callable是有返回值的，可以直接返回future對(duì)象。

5. 生產(chǎn)者消費(fèi)者

生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式是一個(gè)經(jīng)典的多線程設(shè)計(jì)模式。它為多線程間的協(xié)作提供了良好的解決方案。在生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式中，通常由兩類線程，即若干個(gè)生產(chǎn)者線程和若干個(gè)消費(fèi)者線程。生產(chǎn)者線程負(fù)責(zé)提交用戶請(qǐng)求，消費(fèi)者線程則負(fù)責(zé)具體處理生產(chǎn)者提交的任務(wù)。生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間則通過共享內(nèi)存緩沖區(qū)進(jìn)行通信。

以前寫過一篇用Java來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者消費(fèi)者的多種方法，這里就不多闡述了。

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