Java 并发设计模式

Java 并发设计模式

1、Thread Local Storage 模式

1. ThreadLocal 的使用

Thread Local Storage 表示线程本地存储模式。java

大多数并发问题都是因为变量的共享致使的,多个线程同时读写同一变量便会出现原子性,可见性等问题。局部变量是线程安全的,本质上也是因为各个线程各自拥有本身的变量,避免了变量的共享。设计模式

Java 中使用了 ThreadLocal 来实现避免变量共享的方案。ThreadLocal 保证在线程访问变量时,会建立一个这个变量的副本,这样每一个线程都有本身的变量值,没有共享,从而避免了线程不安全的问题。缓存

下面是 ThreadLocal 的一个简单使用示例:安全

public class ThreadLocalTest {

    private static final ThreadLocal<SimpleDateFormat> threadLocal =
            ThreadLocal.withInitial(() -> new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss"));

    public static SimpleDateFormat safeDateFormat() {
        return threadLocal.get();
    }

    public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
        FutureTask<SimpleDateFormat> task1 = new FutureTask<>(ThreadLocalTest::safeDateFormat);
        FutureTask<SimpleDateFormat> task2 = new FutureTask<>(ThreadLocalTest::safeDateFormat);

        Thread t1 = new Thread(task1);
        Thread t2 = new Thread(task2);
        t1.start();
        t2.start();
        System.out.println(task1.get() == task2.get());//返回false,表示两个对象不相等
    }
}

程序中构造了一个线程安全的 SimpleDateFormat ,两个线程取到的是不一样的示例对象,这样就保证了线程安全。多线程

2. ThreadLocal 原理浅析

线程 Thread 类内部有两个 ThreadLocalMap 类型的变量:并发

/* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
 * by the ThreadLocal class. */
ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

/*
 * InheritableThreadLocal values pertaining to this thread. This map is
 * maintained by the InheritableThreadLocal class.
 */
ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;

其中第二个变量的用途是建立可继承父线程变量的子线程,只不过这并不经常使用,主要介绍第一个。异步

ThreadLocalMap 是一个用于存储 ThreadLocal 的特殊 HashMap,map 中 key 就是 ThreadLocal,value 是线程变量值。只不过这个 map 并不被 ThreadLocal 持有,而是被 Thread 持有。工具

当调用 ThreadLocal 类中的 set 方法时,就会建立 Thread 中的 threadLocals 属性。性能

//ThreadLocal的set方法
public void set(T value) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);//获取Thread中的ThreadLocalMap
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
}

能够看到,最终的 ThreadLocal 对象和变量值并非建立在 ThreadLocal 内部,而是 Thread 中的 ThreadLocalMap,ThreadLocal 在这里只是充当了代理的做用。this

3. ThreadLocal 内存泄漏问题

存储数据的 TheadLocalMap 被 Thread 持有,而不是 ThreadLocal,主要的缘由即是 ThreadLocal 的生命周期比 Thread 要长,若是 ThreadLocal 对象一直存在,那么 map 中的线程就不能被回收,容易致使内存泄漏。

而 Thread 持有 ThreadLocalMap,而且 ThreadLocalMap 对 ThreadLocal 的引用仍是弱引用,这样当线程被回收时,map 也可以被回收,更加安全。

可是 Java 的这种设计并无彻底避免内存泄漏问题。若是线程池中的线程存活时间过长,那么其持有的 ThreadLocalMap 一直不会被释放。ThreadLocalMap 中的 Entry 对其 value 是强引用的(对 ThreadLocal 是弱引用),这样就算 ThreadLocalMap 的生命周期结束了,可是 value 值并无被回收。

解决的办法即是手动释放 ThreadLocalMap 中对 value 的强引用,可使用 TheadLocal 的 remove 方法。在 finally 语句块中执行。例以下面这个简单的示例:

public class ThreadLocalTest {

    private final ThreadLocal<Integer> threadLocal = new ThreadLocal<>();

    public void test(){
        //设置变量值
        threadLocal.set(10);
        try {
            System.out.println(threadLocal.get());
        }
        finally {
            //释放
            threadLocal.remove();
        }
    }
}

2、Immutability 模式

1. 不可变的概念

Immutability,即不变模式。能够理解为只要对象一经建立,其状态是不可以被改变的,没法进行写操做。

要实现 Immuatability 模式很简单,将一个类自己及其全部的属性都设为 final ,而且方法都是只读的,须要注意的是,若是类的属性也是引用类型,那么其对应的类也要知足不可变的特性。final 应该都很熟悉了,用它来修饰类和方法,分别表示类不可继承、属性不可改变。

Java 中具有不可变性的类型包括:

  • String
  • final 修饰的基本数据类型
  • Integer、Long、Double 等基本数据类型的包装类
  • Collections 中的不可变集合

具有不可变性的类,若是须要有相似修改这样的功能,那么它不会像普通的对象同样改变本身的属性,而是建立新的对象。

下面是 String 的字符串链接方法 concat() 的源码,仔细观察,能够看到最后方法返回的时候,建立了一个新的 Sring 对象:

public String concat(String str) {
    int otherLen = str.length();
    if (otherLen == 0) {
        return this;
    }
    int len = value.length;
    char buf[] = Arrays.copyOf(value, len + otherLen);
    str.getChars(buf, len);
    //建立新的对象
    return new String(buf, true);
}

而 Collections 工具能够将集合变为不可变的,彻底禁止写、修改等操做。示例以下:

//Collections 中构建不可变集合的方法
Collections.unmodifiableList();
Collections.unmodifiableSet();
Collections.unmodifiableMap();
Collections.unmodifiableSortedSet();
Collections.unmodifiableSortedMap();
---
List<Integer> list = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
//构建不可变集合
List<Integer> unmodifiableList = Collections.unmodifiableList(list);

unmodifiableList.remove(1);//抛出异常

2. 对象池

对于一个不可变性的类,若是频繁的对其进行修改操做,那么一直会建立性新的对象,这样就比较浪费内存空间了,一种解决办法即是利用对象池。

原理也很简单,新建对象的时候,去对象池看是否存在对象,若是存在则直接利用,若是不存在才会建立新的对象,建立以后再将对象放到对象池中。

以长整型的包装类 Long 为例,它缓存了 -128 到 127 的数据,若是建立的是这个区间的对象,那么会直接使用缓存中的对象。例如 Long 中的 valueOf 方法就用到了这个缓存,而后直接返回:

public static Long valueOf(long l) {
    final int offset = 128;
    //在这个区间则直接使用缓存中的对象
    if (l >= -128 && l <= 127) { // will cache
        return LongCache.cache[(int)l + offset];
    }
    return new Long(l);
}

3、Guarded Suspension 模式

1. Guarded Suspension 实现

Guarded Suspension 意为保护性暂停。一个典型的使用场景是:当客户端线程 T 发送请求后,服务端这时有大量的请求须要处理,这时候就须要排队,线程 T 进入等待状态,直到服务端处理完请求而且返回结果。

Guarded Suspension 的实现很简单,有一个对象 GuardedObject,其内部有一个属性,即被保护的对象,还有两个方法,客户端调用 get() 方法,若是未获取到结果,则进入等待状态,即“保护性暂停”;还有一个 notice() 通知方法,当服务端处理完请求后,调用这个方法,而且唤醒等待中的线程。示意图以下:

在这里插入图片描述

示例代码以下:

public class GuardedObject<T> {

    private T obj;
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition finished = lock.newCondition();

    //调用方线程获取结果
    T get(){
        lock.lock();
        try {
            while (未获取到结果){
                finished.await();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        finally {
            lock.unlock();
        }
        return obj;
    }

    //执行完后通知
    void notice(T obj){
        lock.lock();
        try {
            this.obj = obj;
            finished.signalAll();
        }
        finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

从代码中能够看到,Guarded Suspension 模式本质上就是一种等待-通知机制,只不过使用这种模式,在解决实际的问题的时候,须要根据状况进行程序功能的扩展。

2. 使用示例

仍是上面提到的那个例子,当客户端发送请求后,须要等待服务端的响应结果,这时候就可使用 Guarded Suspension 来实现,下面是代码示例:

public class SendRequest<T> {

    //至关于消息队列
    private final BlockingQueue<Request> queue = new ArrayBlockingQueue<>(5);

    //客户端发送请求
    void send(Request request) throws InterruptedException {
        //将消息存放至队列中
        queue.put(request);
        //建立Guarded Suspension模式的对象
        GuardedObject<Request> guardedObject = GuardedObject.create(request.id);
        //循环等待,获取结果
        Request res = guardedObject.get(Objects::nonNull);
    }

    //服务端处理请求
    void handle() throws InterruptedException {
        //从队列中获取请求
        Request request = queue.take();
        //调用请求对应的GuardedObject,并处理请求
        GuardedObject.handleRequest(request.id, request);
    }
    
    //请求类
    private static class Request{
        private int id;
        private String content;
    }
}

须要注意的是,这里并非直接使用 new GuardedObject() 的方式来建立对象,这是由于须要找到每一个请求和对象之间的对应关系,因此 GuardedObject 内部使用了一个 map 来保存对象,key 是对应的请求 id。

GuardedObject 类代码以下:

public class GuardedObject<T> {

    private T obj;

    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private final Condition finished = lock.newCondition();

    private static final ConcurrentHashMap<Integer, GuardedObject> map = new ConcurrentHashMap<>();

    //建立对象
    public static GuardedObject create(int id){
        GuardedObject guardedObject = new GuardedObject();
        //保存对象和请求的对应关系
        map.put(id, guardedObject);
        return guardedObject;
    }

    //处理请求
    public static void handleRequest(int id, Object obj){
        GuardedObject guardedObject = map.remove(id);
        if (guardedObject != null){
            
            //具体的处理逻辑省略
            
            //处理完后通知
            guardedObject.notice(obj);
        }
    }

    //调用方线程获取结果
    T get(Predicate<T> p){
        lock.lock();
        try {
            while (!p.test(obj)){
                finished.await();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        finally {
            lock.unlock();
        }
        return obj;
    }

    //执行完后通知
    void notice(T obj){
        lock.lock();
        try {
            this.obj = obj;
            finished.signalAll();
        }
        finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

4、Balking 模式

Balking 模式的典型应用场景是,业务逻辑依赖于某个条件变量的状态,所以这种模式又能够理解为多线程版本的 if。

public class BalkingTest {

    private boolean flag = false;

    public void execute(){
        if (!flag){
            return;
        }
        //具体的执行操做省略
        flag = false;
    }

    public void test(){
        //省略业务代码若干
        flag = true;
    }
}

例如上面这个例子,一段业务逻辑会改变 flag 的值,另外一个方法会根据 flag 的值来决定是否继续执行。

这个程序并非线程安全的,解决的办法也很简单,就是加互斥锁,而后能够将改变 flag 值的逻辑单独拿出来,以下:

public class BalkingTest {
    private boolean flag = false;

    public synchronized void execute(){
        if (!flag){
            return;
        }
        //具体的执行操做省略
        flag = false;
    }

    public void test(){
        //省略业务代码若干
        change();
    }
    
    public synchronized void change(){
        flag = true;
    }
}

Balking 模式通常可使用互斥锁来实现,而且能够将对条件变量的改变的逻辑和业务逻辑进行分离,这样可以减少锁的粒度,提高性能。Balking 模式大多应用于须要快速失败的场景,即当条件变量不知足,则直接失败。这也是它和 Guarded Suspension 模式的区别,由于 Guarded Suspension 模式在条件不知足的时候,会一直等待条件知足。

5、Worker - Thread 模式

Worker Thread 模式,对应到现实世界,相似工厂中的工人作任务,当有任务的时候,工人取出任务执行。

解决的办法是使用线程池,而且使用一个阻塞队列来存储任务,线程池中的线程从队列中取出任务执行。线程池的使用须要注意几点:

  • 任务队列尽可能使用有界队列,避免任务过多形成 OOM。
  • 应该明确指定拒绝策略,能够根据实际状况实现 RejectedExecutionHandler 接口自定义拒绝策略。
  • 应该给线程指定一个有意义的名字,最好和业务相关。
  • 为不一样的任务建立不一样的线程池,这样可以有效的避免死锁问题。

6、Two - Phase Termination 模式

1. 两阶段终止概念

Two - Phase Termination,即两阶段终止,主要是为解决如何正确的终止一个线程,这里说的是一个线程终止另外一个线程,而不是线程终止本身。

Java 中的线程提供了一个 stop() 方法用来终止线程,这不过这个方法会直接将线程杀死,风险过高,而且这个方法已经被标记为废弃,不建议使用了。

两阶段终止,即将线程的结束分为了两个阶段,第一个阶段是一个线程 T1 向另外一个线程 T2 发送终止指令,第二个阶段是线程 T2 响应终止指令。

根据 Java 的线程状态,线程若是要进入 TERMINATED 状态则必须先进入 RUNNABLE 状态,而处于 RUNNABLE 状态的线程有可能转换到休眠状态。

Java 的线程提供了 interrupt() 方法,这个方法的做用即是将线程的状态从休眠状态转换到 RUNNABLE 状态。

切换到 RUNNABLE 状态以后,线程有两种方式能够终止,一是执行完 run() 方法,自动进入终止状态;二是设置一个标志,线程若是检测到这个标志,则退出 run() 方法,这就是两阶段终止的响应终止指令。

2. 程序示例

下面是一个简单的使用 interrupt() 方法和中断标志位来终止线程的示例:

public class Test {
    public static void main(String[] args) {

        Thread thread = new Thread(() -> {
            //检测到中断则退出
            while (!Thread.currentThread().isInterrupted()){
                try {
                    Thread.sleep(3000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                    //从新设置中断标志
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
                System.out.println("I am roseduan");
            }
        });
        thread.start();
        thread.interrupt();
    }
}

程序要每隔三秒打印语句,可是线程启动以后就直接调用了 interrupt() 方法,因此线程直接退出了。须要注意的是这里在捕获异常以后,须要从新设置线程的中断状态,由于 JVM 的异常处理会清除线程的中断状态。

在实际的生产中,并不推荐使用这种方式,由于在 Thread 内部可能会调用其余的方法,而其余的方法并不可以保证正确的处理了线程中断,解决的办法即是自定义一个线程的中断标志,以下所示:

public class Test {
    //自定义中断标志
    private volatile boolean isTerminated = false;
    private Thread thread;

    public synchronized void start(){
        thread = new Thread(() -> {
            //检测到中断则退出
            while (!isTerminated) {
                try {
                    Thread.sleep(2000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                    //从新设置中断状态
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
                System.out.println("I am roseduan");
            }
            isTerminated = false;
        });
        thread.start();
    }

    //线程终止方法
    public synchronized void stop(){
        isTerminated = true;
        thread.interrupt();
    }
}

3. 终止线程池

Java 中并不太会显式的建立和终止一个线程,使用更多的是线程池。

Java 中的线程池提供了两个方法来终止,分别是 shutdown() 和 shutdownNow() ,两个方法的区别以下:

  • shutdown():拒绝新的任务,等待正在执行的和已经在阻塞队列中的任务执行完后,再关闭线程池
  • shutdownNow():直接关闭线程池,拒绝新的任务,而且中断正在执行的任务,已经在阻塞队列中的任务也不会被执行了。

7、Producer - Consumer 模式

这是较为经常使用的生产者 - 消费者模式,Java 中的线程池就使用了这种模式,线程的使用方是生产者,提供任务,线程池自己是消费者,取出并执行任务。

生产者 - 消费者模式使用了一个任务队列,生产者将任务添加到队列中,消费者从队列中取出任务执行。

这样的设计的目的有三个:

  • 解耦,生产者和消费者之间没有直接的关联,而是经过队列进行通讯。
  • 其次能够实现异步,例如生产者能够不用管消费者的行为,直接将任务添加到队列中。消费者也能够不在意生产者,直接从队列中取任务。
  • 最后,能够平衡生产者和消费者之间的速度差别。

下面是一个简单的生产者 - 消费者程序示例:

public class ProducerConsumerTest {

    private BlockingQueue<Task> queue = new LinkedBlockingQueue<>(100);

    public void produce() {
        queue.add(new Task());

    }

    public void consume() {
        Task task = queue.poll();
        while (task != null){
            task.execute();
            task = queue.poll();
        }
        System.out.println("没有任务了");
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Test test = new Test();
        //生产者线程,建立10个任务
        Thread producer = new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                test.produce();
            }
        });
        producer.start();
        producer.join();

        //消费者线程
        Thread consumer = new Thread(test::consume);
        consumer.start();

    }
}

class Task{
    public void execute(){
        System.out.println("执行任务");
    }
}
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