Java 高并发七：并发设计模型详解

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。

以前写过一篇用Java来实现生产者消费者的多种方法，这里就不多阐述了。