并发设计模式

1. 什么是设计模式

在软件工程中，设计模式（design pattern）是对软件设计中普遍存在（反复出现）的各种问题 ，所提出的解决方案。这个术语是由埃里希·伽玛（Erich Gamma）等人在1990年代从建筑设计领 域引入到计算机科学的。 

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

《设计模式：可复用面向对象软件的基础》收录23种模式 

2. 单例模式

单例对象的类必须保证只有一个实例存在。许多时候整个系统只需要拥有一个的全局对象，这样有利于我们协调系统整体的行为 

比如：全局信息配置

单例模式最简单的实现：

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

 

 

由私有构造方法和static来确定唯一性。

缺点：何时产生实例 不好控制 

虽然我们知道，在类Singleton第一次被加载的时候，就产生了一个实例。

但是如果这个类中有其他属性

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;
    }
}

 

 

当使用

System.out.println(Singleton.STATUS);

 这个实例就被产生了。也许此时你并不希望产生这个实例。如果系统特别在意这个问题，这种单例的实现方法就不太好。

 

第二种单例模式的解决方式：

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;
    }
}

 

 

让instance只有在调用getInstance()方式时被创建，并且通过synchronized来确保线程安全。

这样就控制了何时创建实例。

这种方法是延迟加载的典型。

但是有一个问题就是，在高并发的场景下性能会有影响，虽然只有一个判断就return了，但是在并发量很高的情况下，或多或少都会有点影响，因为都要去拿synchronized的锁。

为了高效，有了第三种方式：

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;
    }
}

 

 

由于加载一个类时，其内部类不会被加载。这样保证了只有调用getInstance()时才会产生实例，控制了生成实例的时间，实现了延迟加载。并且去掉了synchronized，让性能更优，用static来确保唯一性。

3. 不变模式

一个类的内部状态创建后，在整个生命期间都不会发生变化时，就是不变类 

不变模式不需要同步 

创建一个不变的类：

public final class Product {
    // 确保无子类
    private final String no;
    // 私有属性，不会被其他对象获取
    private final String name;
    // final保证属性不会被2次赋值
    private final double price;

    public Product(String no, String name, double price) {
        // 在创建对象时，必须指定数据
        super();
        // 因为创建之后，无法进行修改
        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中不变的模式的案例有：

• 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

核心思想是异步调用 

非异步：

 

异步：

 

第一次的call_return由于任务还没完成，所以返回的是一个空的。

但是这个返回类似于购物中的订单，将来可以根据这个订单来得到一个结果。

所以这个Future模式意思就是，“未来”可以得到，就是指这个订单或者说是契约，“承诺”未来就会给结果。

Future模式简单的实现：

 

调用者得到的是一个Data，一开始可能是一个FutureData，因为RealData构建很慢。在未来的某个时间，可以通过FutureData来得到RealData。

代码实现：

public interface Data {     
    public String getResult (); 
}

 

public class FutureData implements Data {     
    protected RealData realdata = null;   //FutureData是RealData的包装     
    protected boolean isReady = false;     
    public synchronized void setRealData(RealData realdata) {         
        if (isReady) {              
            return;         
        }         
        this.realdata = realdata;         
        isReady = true;         
        notifyAll();    //RealData已经被注入，通知getResult()     
    }     
    public synchronized String getResult()//会等待RealData构造完成         
    {  
        while (!isReady) {             
            try {                 
                wait();    //一直等待，知道RealData被注入            
            } catch (InterruptedException e) {             
                }         
        }         
        return realdata.result;  //由RealData实现       
    } 
}

 

public class RealData implements Data {
    protected final String result;
    public RealData(String para) {
        // RealData的构造可能很慢，需要用户等待很久，这里使用sleep模拟
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            sb.append(para);
            try {
                // 这里使用sleep，代替一个很慢的操作过程
                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的构建很慢，           
                //所以在单独的线程中进行                
                RealData realdata = new RealData(queryStr);                 
                future.setRealData(realdata);             
            }                                                        
        }.start();         
        return future; // FutureData会被立即返回     
    } 
}

 

public static void main(String[] args) {
        Client client = new Client();
        // 这里会立即返回，因为得到的是FutureData而不是RealData
        Data data = client.request("name");
        System.out.println("请求完毕");
        try {
            // 这里可以用一个sleep代替了对其他业务逻辑的处理
            // 在处理这些业务逻辑的过程中，RealData被创建，从而充分利用了等待时间
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        // 使用真实的数据
        System.out.println("数据 = " + data.getResult());
    }

 

JDK中也有多Future模式的支持：

 

接下来使用JDK提供的类和方法来实现刚刚的代码：

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 {
        // 构造FutureTask
        FutureTask<String> future = new FutureTask<String>(new RealData("a"));
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(1);
        // 执行FutureTask，相当于上例中的 client.request("a") 发送请求
        // 在这里开启线程进行RealData的call()执行
        executor.submit(future);
        System.out.println("请求完毕");
        try {
            // 这里依然可以做额外的数据操作，这里使用sleep代替其他业务逻辑的处理
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        // 相当于data.getResult ()，取得call()方法的返回值
        // 如果此时call()方法没有执行完成，则依然会等待
        System.out.println("数据 = " + future.get());
    }
}

 

这里要注意的是FutureTask是即具有 Future功能又具有Runnable功能的类。所以又可以运行，最后还能get。

当然如果在调用到future.get()时，真实数据还没准备好，仍然会产生阻塞状况，直到数据准备完成。

当然还有更加简便的方式：

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);
        // 执行FutureTask，相当于上例中的 client.request("a") 发送请求
        // 在这里开启线程进行RealData的call()执行
        Future<String> future = executor.submit(new RealData("a"));
        System.out.println("请求完毕");
        try {
            // 这里依然可以做额外的数据操作，这里使用sleep代替其他业务逻辑的处理
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
        }
        // 相当于data.getResult ()，取得call()方法的返回值
        // 如果此时call()方法没有执行完成，则依然会等待
        System.out.println("数据 = " + future.get());
    }
}

 

由于Callable是有返回值的，可以直接返回future对象。

5. 生产者消费者

生产者-消费者模式是一个经典的多线程设计模式。它为多线程间的协作提供了良好的解决方案。 在生产者-消费者模式中，通常由两类线程，即若干个生产者线程和若干个消费者线程。生产者线 程负责提交用户请求，消费者线程则负责具体处理生产者提交的任务。生产者和消费者之间则通 过共享内存缓冲区进行通信。

 下面是基于BlockingQueue

private BlockingQueue<PCData> queue;

 

while (isRunning) {
Thread.sleep(r.nextInt(SLEEPTIME));
data = new PCData(count.incrementAndGet());
//构造任务数据
System.out.println(data+" is put into queue");
if (!queue.offer(data, 2, TimeUnit.SECONDS)) {
//提交数据到缓冲区中
System.err.println("failed to put data：" + data);
}
}

 

while(true){
PCData data = queue.take(); 
//提取任务
if (null != data) {
int re = data.getData() * data.getData();  //计算平方
System.out.println(MessageFormat.format("{0}*{1}={2}",
data.getData(),
data.getData(), re));
Thread.sleep(r.nextInt(SLEEPTIME));
}
}