Java 高并發(fā)七：并發(fā)設(shè)計模型詳解
1. 什么是設(shè)計模式
在軟件工程中，設(shè)計模式（design pattern）是對軟件設(shè)計中普遍存在（反復(fù)出現(xiàn)）的各種問題 ，所提出的解決方案。這個術(shù)語是由埃里?！べが敚‥rich Gamma）等人在1990年代從建筑設(shè)計領(lǐng) 域引入到計算機科學(xué)的。
著名的4人幫： Erich Gamma，Richard Helm, Ralph Johnson ,John Vlissides （Gof）
《設(shè)計模式：可復(fù)用面向?qū)ο筌浖幕A(chǔ)》收錄23種模式
2. 單例模式
單例對象的類必須保證只有一個實例存在。許多時候整個系統(tǒng)只需要擁有一個的全局對象，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：何時產(chǎn)生實例 不好控制
雖然我們知道，在類Singleton第一次被加載的時候，就產(chǎn)生了一個實例。
但是如果這個類中有其他屬性
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;
}
}
當使用
System.out.println(Singleton.STATUS);
這個實例就被產(chǎn)生了。也許此時你并不希望產(chǎn)生這個實例。
如果系統(tǒng)特別在意這個問題，這種單例的實現(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()方式時被創(chuàng)建，并且通過synchronized來確保線程安全。
這樣就控制了何時創(chuàng)建實例。
這種方法是延遲加載的典型。
但是有一個問題就是，在高并發(fā)的場景下性能會有影響，雖然只有一個判斷就return了，但是在并發(fā)量很高的情況下，或多或少都會有點影響，因為都要去拿synchronized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;
}
}
由于加載一個類時，其內(nèi)部類不會被加載。這樣保證了只有調(diào)用getInstance()時才會產(chǎn)生實例，控制了生成實例的時間，實現(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
一個類的內(nèi)部狀態(tài)創(chuàng)建后，在整個生命期間都不會發(fā)生變化時，就是不變類
不變模式不需要同步
創(chuàng)建一個不變的類：
public final class Product {
// 確保無子類
private final String no;
// 私有屬性，不會被其他對象獲取
private final String name;
// final保證屬性不會被2次賦值
private final double price;
public Product(String no, String name, double price) {
// 在創(chuàng)建對象時，必須指定數(shù)據(jù)
super();
// 因為創(chuàng)建之后，無法進行修改
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，所以返回的是一個空的。
但是這個返回類似于購物中的訂單，將來可以根據(jù)這個訂單來得到一個結(jié)果。
所以這個Future模式意思就是，“未來”可以得到，就是指這個訂單或者說是契約，“承諾”未來就會給結(jié)果。
Future模式簡單的實現(xiàn)：
調(diào)用者得到的是一個Data，一開始可能是一個FutureData，因為RealData構(gòu)建很慢。在未來的某個時間，可以通過FutureData來得到RealData。
代碼實現(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，
//所以在單獨的線程中進行
RealData realdata = new RealData(queryStr);
future.setRealData(realdata);
}
}.start();
return future; // FutureData會被立即返回
}
}
public static void main(String[] args) {
Client client = new Client();
// 這里會立即返回，因為得到的是FutureData而不是RealData
Data data = client.request("name");
System.out.println("請求完畢");
try {
// 這里可以用一個sleep代替了對其他業(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間
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
}
// 使用真實的數(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，相當于上例中的 client.request("a") 發(fā)送請求
// 在這里開啟線程進行RealData的call()執(zhí)行
executor.submit(future);
System.out.println("請求完畢");
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) {
}
// 相當于data.getResult ()，取得call()方法的返回值
// 如果此時call()方法沒有執(zhí)行完成，則依然會等待
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。所以又可以運行，最后還能get。
當然如果在調(diào)用到future.get()時，真實數(shù)據(jù)還沒準備好，仍然會產(chǎn)生阻塞狀況，直到數(shù)據(jù)準備完成。
當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，相當于上例中的 client.request("a") 發(fā)送請求
// 在這里開啟線程進行RealData的call()執(zhí)行
Future<String> future = executor.submit(new RealData("a"));
System.out.println("請求完畢");
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) {
}
// 相當于data.getResult ()，取得call()方法的返回值
// 如果此時call()方法沒有執(zhí)行完成，則依然會等待
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對象。
5. 生產(chǎn)者消費者
生產(chǎn)者-消費者模式是一個經(jīng)典的多線程設(shè)計模式。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-消費者模式中，通常由兩類線程，即若干個生產(chǎn)者線程和若干個消費者線程。生產(chǎn)者線 程負責(zé)提交用戶請求，消費者線程則負責(zé)具體處理生產(chǎn)者提交的任務(wù)。生產(chǎn)者和消費者之間則通 過共享內(nèi)存緩沖區(qū)進行通信。
以前寫過一篇用Java來實現(xiàn)生產(chǎn)者消費者的多種方法，這里就不多闡述了。
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