java并发设计模式

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一、多线程程序设计模式的评量标准

1、安全性-不损坏对象

n 对象的字段、状态出现并非预期的情况就是不安全对象

n 1个以上的线程使用而不危及安全性就是线程安全的类

n ArraList与Vector

JDK中就有很多类似这样的非线程安全及线程安全的类，必须针对不同的场景加以利用。在多线程环境下，使用线程安全的类可以保证程序的安全性，但是同时会带来一定的性能损耗，所以在非多线程环境下，并没有必要去使用线程安全的类。

2、生存性

n 程序一定会进行必要的处理

n 半路停止、不做任何事情，这样没有任何意义

n 安全性与生存性互相抵触，比如死锁

程序一定要有其实现的功能，什么都不做的程序当然是绝对安全的，但是为了实现某些功能而损坏安全性是不明的，要在保证安全性的前提下，尽可能高效地实现功能。

3、复用性

n 程序可再利用

n 可以将共享互斥结构单独封装成可复用的部分

程序应当尽可能地复用，将那些常用的功能单独封装起来，随时供其他地方调用。这点不仅仅是多线程程序应该做的，而是所有程序都应该尽可能做到的。

4、性能

n 快速、大量进行处理

n 指标：数据吞吐量、响应性、容量、效率、可伸缩性等

n 一些指标之间会相互影响，需要根据具体应用场景权衡

高性能一直是程序员追寻的目标，特别是在高并发的程序中。但是程序的性能指标会有很多种，而不同的应用场景，需求是不一样的，必须要权衡利弊，根据特定的业务需求，从而实现相应的性能指标。

5、总结

多线程编程环境下，安全性和生存性是必要条件，这是根本。在这个前提下在去提高复用性和性能，从而提高程序的质量。这些指标，其实是鱼与熊掌难以兼得的关系，必须根据具体环境去实现不同的需求。

二、多线程程序的设计模式

1、Guarded Suspension

n 满足警戒条件才能执行

n 不满足条件及继续wait,直到满足后被唤醒继续操作

n 对于互相影响的操作需要同步

示例代码：

其中的ArrayBlockingQueue的take\put方法都是阻塞的，满足指定条件才能执行完成，否则一直等待。

//请求的包装类

public class Request {

    private final String name;
    public Request(String name) {
        this.name = name;
}

    public String getName() {
        return name;
}
    public String toString(){
        return "[ Request "+name+" ]";
}

}

//启动线程来创建请求放入队列的类

public class ClientThread extends Thread {
    private Random random;
    private ArrayBlockingQueue<Request> requestQueue;
    public ClientThread(ArrayBlockingQueue requestQueue, String name,long seed){
        super(name);
        this.requestQueue = requestQueue;
        this.random = new Random(seed);
}
    public void run(){
        for (int i=0;i<10000;i++){
            Request request = new Request("NO."+i);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" requests "+request);
            try {
                requestQueue.put(request);
                Thread.sleep(random.nextInt(1000));
             } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
             }
        }
    }

//启动线程来从队列获取请求的类

public class ServerThread extends Thread {
    private Random random;
    private ArrayBlockingQueue<Request> requestQueue;
    public ServerThread(ArrayBlockingQueue requestQueue, String name, long seed){
        super(name);
        this.requestQueue = requestQueue;
        this.random = new Random(seed);
}
    public void run(){
        for (int i=0;i<10000;i++){
            try {
                Request request = requestQueue.take();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" take "+request);
Thread.sleep(random.nextInt(1000));
} catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
}
        }
    }
}

//测试的main方法

public static void main(String[] args) {
    ArrayBlockingQueue<Request> queue = new ArrayBlockingQueue<Request>(1);

new ClientThread(queue,"putThread",4325464L).start();
new ServerThread(queue,"takeThread",8454212L).start();

2、Read-Write Lock

n 读锁与写锁分开，提高程序性能

n 防止读取与写入的冲突，写入与写入的冲突

n 读取和读取不会冲突，这里可以提高性能

//数据的封装类

public class Data {
    private final char[] buffer;
    private final ReadAndWriteLock lock = new ReadAndWriteLock();
    public Data(int size){
        this.buffer = new char[size];
        for(int i=0;i< buffer.length;i++){
            buffer[i] = '*';
}
    }
    public char[] read()throws InterruptedException {
        lock.readLock();
        try {
            return doRead();
}finally {
            lock.readUnlock();
}
    }
    public void write(char c)throws InterruptedException{
        lock.writeLock();
        try{
            doWrite(c);
}finally {
            lock.writeUnlock();
}
    }

    private char[] doRead(){
        char[] newbuf = new char[buffer.length];
        for(int i=0 ; i<buffer.length;i++){
            newbuf[i]  = buffer[i];
}
        slowly();
        return newbuf;
}
    private void doWrite(char c){
        //写一个字符slow一下，保证写比读慢
for(int i=0;i<buffer.length;i++){
            buffer[i] = c;
slowly();
}
    }
    private void slowly(){
        try {
            Thread.sleep(50);
}catch (InterruptedException e){

        }
    }
}

//读线程

public class ReadThread extends Thread {
    private final Data data;
    public ReadThread(Data data){
        this.data = data;
}
    public void run(){
        try{
            while(true){
                char[] readBuf = data.read();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"read "+String.valueOf(readBuf));
}
        }catch (InterruptedException e){

        }
    }

}

//写线程

public class WriterThread extends Thread {
    private static final Random random = new Random();
    private final Data data;
    private final String filler;
    private int index = 0;
    public WriterThread(Data data,String filler){
        this.data = data;
        this.filler = filler;
}
    public void run(){
        try{
            while(true){
                char c = nextchar();
data.write(c);
Thread.sleep(random.nextInt(3000));
}
        }catch (InterruptedException e){

        }
    }
    private char nextchar(){
        char c = filler.charAt(index);
index++;
        if(index >= filler.length()){
            index = 0;
}
         return c;
}
}

//读写锁的实现类

public class ReadAndWriteLock {
    private int readingNum = 0;//实际正在读取的线程数
private int waitingNum = 0;//实际正在等待的线程数
private int writingNum = 0;//实际正在写入的线程数
private boolean preferWrite = true; //优先写入的标志
public synchronized void readLock() throws InterruptedException{
        while (writingNum >0 || (preferWrite && waitingNum>0)){
            wait();
}
        readingNum++;
}

    public synchronized void readUnlock(){
        readingNum--;
preferWrite = true;
notifyAll();
}

    public synchronized void writeLock() throws InterruptedException{
        //防止其他线程获取读锁
waitingNum++;
        try {
           while (readingNum > 0 || writingNum > 0){
               wait();
}
        }finally {
            waitingNum--;
}
        //防止其他线程获取写锁
writingNum++;
}
    public synchronized void writeUnlock(){
        writingNum--;
preferWrite=false;
notifyAll();
}
}

//测试的main方法

public static void main(String[] args) {
    Data data = new Data(20);

new ReadThread(data).start();
new ReadThread(data).start();
new ReadThread(data).start();
new ReadThread(data).start();
new ReadThread(data).start();
new WriterThread(data,"123456789abcdefghijklmnopqrstuvwxyz").start();
new WriterThread(data,"ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ").start();

3、Future Pattern

n 提升程序的响应性、降低延迟

n 适合不要求操作顺序的情况下使用

n 需要返回值的时候

//结果的抽象类

public interface Result {
    public abstract  String getContent();
}

//结果的实现类

public class RealResult implements Result {
    private final String content;
    public RealResult(int count,char c){
        System.out.println(" making RealResult(" + count + "," + c + ") BEGIN");
        char[] buffer = new char[count];
        for(int i=0;i<count;i++){
            buffer[i] = c;
            try{
                Thread.sleep(100);
}catch (InterruptedException e) {
            }
        }
            System.out.println(" making RealResult(" + count + "," + c + ") END");
            this.content = new String(buffer);
}
    @Override
public String getContent() {
        return content;
}
}

//组合结果实现类的类

public class FutureResult implements Result {
    private RealResult realResult = null;
    private boolean ready = false;
    public synchronized  void setRealResult(RealResult realResult){
        if(ready){
            return;
}
        this.realResult = realResult;
        this.ready = true;
notifyAll();
}
    @Override
public synchronized String getContent() {
       while(!ready){
           try {
               wait();
}catch (InterruptedException e){

           }
       }
        return realResult.getContent();
}
}

//发起请求的客户端类

public class Client {
    public Result request(final int count,final char c){
        System.out.println("request("+ count +","+c+"start");
        final FutureResult futureResult = new FutureResult();
        new Thread(){
            public void run(){
                RealResult realResult = new RealResult(count,c);
futureResult.setRealResult(realResult);
}
        }.start();
System.out.println("request("+ count +","+c+"end");
        return futureResult;
}
}

//测试的main方法

public static void main(String[] args) {
    Client client = new Client();

Result result1 = client.request(10,'X');
Result result2 = client.request(15,'Y');
Result result3 = client.request(20,'Z');
System.out.println(" MAIN JOB START");
try{
    Thread.sleep(2000);
}catch (InterruptedException e){

}
System.out.println(" MAIN JOB END");
System.out.println(" result1 = "+result1.getContent());
System.out.println(" result2 = "+result2.getContent());
System.out.println(" result3 = "+result3.getContent());

3、总结

n 模式就是针对某种特殊场景，一直反复发生的问题的解决方案

n 对某个领域问题的解决方法

上面只是介绍了其中3种常见的多线程编程模式，而实际应用中有许多模式可用，不同的场景使用的模式各不相同，需要有的放矢，灵活运用。下图展示了大部分常见的多线程编程模式，及其的侧重点（安全性、生存性、复用性、性能）。