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今天为大家带来的是并发设计模式实战系列，第二章领导者/追随者（Leader/Followers）模式，废话不多说直接开始~

目录

领导者/追随者（Leader/Followers）

为什么需要领导者/追随者（Leader/Followers）模式？

一、核心原理深度拆解

1. 角色轮转机制

2. 关键技术实现

二、生活化类比：医院分诊系统

三、Java代码实现（生产级Demo）

1. 完整可运行代码

2. 关键机制说明

四、横向对比表格

1. 线程模型对比

2. 性能优化策略对比

五、高级实践技巧

1. 动态Leader选举优化

2. 负载均衡策略

3. 监控关键指标

六、总结与适用场景

1. 核心优势

2. 典型应用场景

3. 模式局限

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领导者/追随者（Leader/Followers）

为什么需要领导者/追随者（Leader/Followers）模式？

在现代高并发系统中，我们面临一个关键挑战：
高并发监听 vs. 高效任务处理

• 监听瓶颈：传统Reactor模式中，单个Selector线程可能成为性能瓶颈（如10万+连接时）
• 线程竞争：多线程同时监听同一Selector会导致epoll_ctl锁竞争（Linux内核级锁）
• 上下文切换：任务队列的生产者-消费者模型引入额外调度开销

领导者/追随者模式通过角色轮换机制解决这一矛盾：

• Leader线程：独占监听权限，避免多线程竞争Selector
• Follower线程：无监听开销，专注处理任务
• 动态切换：处理事件后立即移交领导权，实现负载均衡

一、核心原理深度拆解

1. 角色轮转机制

              +-----------------+|  事件到达        |+--------+--------+|+-----------v-----------+ | Leader线程监听事件     |←----++-----------+-----------+     || 处理事件        |+-----------v-----------+     || 指定新Leader          |     |+-----------+-----------+     ||                 |+-----------v-----------+     || Follower晋升为Leader  |-----++-----------------------+

• 三阶段工作流：

1. 1. 监听事件：Leader线程独占监听资源（如Selector）
   2. 事件分派：检测到事件后指定新Leader
   3. 角色转换：原Leader转为Worker处理事件，新Leader继续监听

2. 关键技术实现

• 线程状态管理：使用AtomicInteger记录角色状态（LEADER=0, PROCESSING=1, FOLLOWER=2）
• 无锁化设计：通过CAS操作实现Leader选举
• 事件分发器：维护ThreadPool保存所有工作线程

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二、生活化类比：医院分诊系统

系统组件	现实类比	核心行为
Leader线程	导诊台护士	识别患者类型，分配接诊医生
Follower线程	诊室医生	专注处理当前患者
事件队列	候诊区座位	缓冲等待处理的患者

• 工作流程：

1. 1. 导诊护士（Leader）发现新患者
   2. 指定空闲医生（新Leader）接替导诊工作
   3. 原护士转为医生处理当前患者

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三、Java代码实现（生产级Demo）

1. 完整可运行代码

import java.nio.channels.*;
import java.util.concurrent.*;
import java.util.concurrent.atomic.*;public class LeaderFollowersServer {private static final int MAX_THREADS = 8;private final AtomicInteger leaderStatus = new AtomicInteger(0); // 0=可用, 1=忙碌// 线程工作单元class Worker implements Runnable {private final Selector selector;private volatile boolean isLeader = false;public Worker(Selector selector) {this.selector = selector;}@Overridepublic void run() {while (!Thread.interrupted()) {try {// 尝试成为Leaderif (leaderStatus.compareAndSet(0, 1)) {isLeader = true;System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 成为Leader");// 监听事件（非阻塞模式）selector.selectNow();for (SelectionKey key : selector.selectedKeys()) {if (key.isAcceptable()) {handleAccept((ServerSocketChannel) key.channel());}}// 移交Leader身份leaderStatus.set(0);isLeader = false;} else {// 作为Follower处理事件TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);}} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}private void handleAccept(ServerSocketChannel server) {try {SocketChannel client = server.accept();System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 处理连接: " + client);// 模拟业务处理TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(500);} catch (Exception e) {e.printStackTrace();}}}public void start() throws Exception {Selector selector = Selector.open();ServerSocketChannel ssc = ServerSocketChannel.open();ssc.bind(new java.net.InetSocketAddress(8080));ssc.configureBlocking(false);ssc.register(selector, SelectionKey.OP_ACCEPT);ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(MAX_THREADS);for (int i = 0; i < MAX_THREADS; i++) {pool.execute(new Worker(selector));}}public static void main(String[] args) throws Exception {new LeaderFollowersServer().start();}
}

2. 关键机制说明

// CAS实现无锁选举
if (leaderStatus.compareAndSet(0, 1)) { // 成功获取Leader身份
}// 优雅退出处理
selector.wakeup(); // 唤醒阻塞的select()
pool.shutdownNow(); // 关闭线程池

四、横向对比表格

1. 线程模型对比

特性	Leader/Followers	Half-Sync/Half-Async	Reactor
上下文切换	少（角色转换）	中等	多（事件传递）
资源消耗	低（固定线程数）	中等	低
吞吐量	高（无锁设计）	高	极高
适用场景	短连接服务	混合型任务	纯异步任务
编程复杂度	高（需处理状态转换）	中等	高

2. 性能优化策略对比

优化方向	Leader/Followers	传统线程池
CPU利用率	通过角色切换减少竞争	依赖队列管理
内存消耗	固定线程数控制	动态扩容可能OOM
延迟稳定性	更均匀的任务分配	存在长尾效应
扩展性	水平扩展需重新设计	容易增加线程数

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五、高级实践技巧

1. 动态Leader选举优化

// 使用Phaser实现协调
Phaser phaser = new Phaser(1);
while (true) {phaser.arriveAndAwaitAdvance();// 选举新Leader...
}

2. 负载均衡策略

// 基于处理能力的Leader选择
if (worker.getLoad() < threshold) {promoteToLeader(worker);
}

3. 监控关键指标

// Leader切换频率监控
AtomicLong leaderChangeCount = new AtomicLong();// 线程负载统计
ConcurrentHashMap<Worker, Integer> workloadMap = new ConcurrentHashMap<>();

六、总结与适用场景

1. 核心优势

✅ 低竞争：单线程监听 + 动态Leader选举，减少锁争用
✅ 高吞吐：无队列中转，事件直接由工作线程处理
✅ 资源可控：固定线程数，避免OOM风险

2. 典型应用场景

• 短连接服务：如HTTP API网关、游戏服务器
• 低延迟系统：金融交易订单处理
• 均匀负载场景：任务处理耗时差异小的业务

3. 模式局限

⚠️ 不适合长任务：Leader长时间占用会导致监听阻塞
⚠️ 实现复杂度高：需精细控制线程状态转换