【Java】多线程案例(单例模式，阻塞队列)

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文章目录

  • 实现安全版本的单例模式
    • 饿汉模式
      • 类和对象的概念
      • 类对象
      • 类的静态成员与实例成员
    • 懒汉模式
      • 如何保证懒汉模式的线程安全
  • 阻塞队列
    • 让多个服务器之间充分解耦
    • 能让请求进行 "削峰填谷"
      • 标准库中的阻塞队列
      • 自己实现阻塞队列

实现安全版本的单例模式

  • 单例模式是设计模式之一。代码当中的某个类，只能有一个实例，不能有多个。单例模式分为：饿汉模式和懒汉模式

饿汉模式

饿汉模式表示很着急，就想吃完饭剩下很多碗，然后一次性把碗全洗了。就是比较着急的去创建实例。用static来创建实例，利用在类加载时初始化，只有一份拷贝存在于内存中的特性实现单例模式，并且立即进行实例化。下面代码中的instance对应的实例，就是该类唯一的实例：

class Singleton{public static Singleton instance = new Singleton();private Singleton(){}public static Singleton getInstance(){return instance;}
}public class Example{public static void main(String[] args) {Singleton instance = Singleton.getInstance();Singleton instance2 = Singleton.getInstance();System.out.println(instance == instance2);}
}

为了防止程序员在其他地方不小心new这个Singleton，于是把构造方法设为private了

类和对象的概念

类是对象的模板，描述了对象的行为和状态。
对象是类的实例，它是在内存中分配的实体，具有实际的属性和行为。

类对象

在Java中，每个类在加载到内存后，都会有一个对应的类对象。这个类对象存储了类的相关信息，包括类的名称、方法、属性等。
类对象是Java虚拟机（JVM）在运行时对类的抽象表示。

类的静态成员与实例成员

静态成员（类属性/类方法）是与类关联的，而不是与类的实例相关联的。它们在类加载时初始化，并且只有一份拷贝存在于内存中，被所有类的实例共享。
实例成员（实例属性/实例方法）是与类的实例相关联的，每个类的实例都有自己的一份实例成员。

懒汉模式

懒汉模式主要是，不立即初始化实例，只有在被调用的时候，才会创建实例

如何保证懒汉模式的线程安全

加锁，把创建实例的代码加锁就可以了，加锁的时候，可以直接指定类对象.class作为锁对象。加锁之后，线程安全问题得到了解决，但是又有了新的问题。在多线程调用获取信息的时候，可能涉及到读和修改，但是一旦实例被初始化之后，就只剩读操作了。

class Singleton{private static volatile Singleton instance = null;private Singleton(){}public static Singleton getInstance(){if(instance == null){synchronized (Singleton.class){if(instance == null){instance = new Singleton();}}}return instance;}
}public class Example{public static void main(String[] args) {Singleton instance = Singleton.getInstance();Singleton instance2 = Singleton.getInstance();System.out.println(instance == instance2);}
}

为什么要两次判断： 因为在并发环境中，多个线程可能会同时通过第一次检查，此时可能会出现多个线程都创建实例的情况。第二次检查可以确保只有一个线程能够创建实例，保证了单例模式的唯一性。
为什么需要加volatile： 因为如果有多个线程的话，都去读getInstance就可能导致内存可见性的问题，所以需要加上volatile来避免内存可见性问题
和饿汉模式的区别就是，懒汉模式只有在使用的时候，才会创建实例，饿汉模式在类加载的时候就会创建实例。

阻塞队列

队列的特性是先进先出，相对于普通队列，阻塞队列又有其他方面的功能：

  1. 线程安全
  2. 产生阻塞效果：
    a. 如果队列为空，尝试出队列，就会出现阻塞，阻塞到队列不为空为止。
    b. 如果队列为满，尝试入队列，就会出现阻塞，阻塞到队列不为满为止。

通过上面这种特性，就可以实现 “生产者消费者模型” 。就像我们烤串，有人烤，有人吃，然后烤好的放在烤盘上面。对于吃烤串来说，烤盘就是交易场所。此处的阻塞队列就可以作为生产者消费者模型当中的交易场所。

让多个服务器之间充分解耦

生产者消费者模型，是实际开发当中非常有用的一种多线程开发手段，尤其是在服务器开发场景当中。假设有两个服务器 A 和 B，A 作为入口服务器直接接受用户的网络请求，B 作为应用服务器，来给 A 提供一些数据。如图：
在这里插入图片描述
如果不使用生产者消费者模型，此时 A 和 B 的耦合性是比较强的。在开发 A 代码的时候，就得充分了解到 B 提供的一些接口，开发 B 代码的时候，也得充分了解到 A 是怎么调用的。一旦想把 B 换成 C ，A 的代码就需要较大的改动。而且如果 B 挂了，也可能直接导致 A 也顺带挂了。
使用生产者消费者模型，就可以降低这里的耦合，就像这样：
在这里插入图片描述

能让请求进行 “削峰填谷”

未使用生产者消费者模型的时候，如果请求量突然暴涨。A 暴涨=> B 暴涨，A 作为入口服务器，计算量较小，不会产生问题。B 作为应用服务器，计算量可能很大，需要的系统资源也更多，如果请求更大了，就可能导致程序挂了。如图：
在这里插入图片描述
如果使用阻塞队列的话，A 的请求暴涨 => 阻塞队列的请求暴涨，由于阻塞队列没啥计算量，只是存数据，所以抗压能力就更强。B 这边依然按照原来的速度进行处理数据，就不会受到 A 的暴涨。所以就不会引起崩溃。也就是 “削峰”。这种峰值很多时候不是持续的，过去之后就恢复了。B 仍然是按照原有的频率来处理之前积压的数据，就是 “填谷” 。
实际开发当中：阻塞队列不是一个简单的数据结构了，而是一个/一组专门的服务器程序，提供的功能不仅仅是队列阻塞。还会在这些基础上面提供更多的功能（数据持久化存储，多个数据通道，多节点备份，支持控制面板，方便配置参数），又叫”消息队列“。

标准库中的阻塞队列

通过 BlockingQueue 来实现阻塞队列，代码如下：

public class Example{public static void main(String[] args) throws InterruptedException {BlockingDeque<String> stringBlockingDeque = new LinkedBlockingDeque<>();//入队stringBlockingDeque.put("hello");//出队String s = stringBlockingDeque.take();System.out.println(s);}
}

自己实现阻塞队列

1.先实现一个普通队列（通过数组来实现）
2.再加上线程安全
3.再加上阻塞
实现一个普通队列：
在这里插入图片描述
出队列就是把 head 位置的元素返回去，并且 head++。当 tail 加满的时候，就回到队列头。所以重要的就是区别空队列和满队列。所以我们创建一个变量来记录元素的个数：size == 0 就是空，size == arr.length 就是满。
保证线程安全：
1.在多线程环境下，使用入队和出队没有问题。
2.入队和出队的代码是属于公共操作变量，所有给整个方法加锁。
实现阻塞效果：
通过使用 wait 和 notify 机制来实现阻塞效果。
对于 入队 来说：就是队列为满。
对于 出队 来说：就是队列为空。
代码如下 ：

class MyBlockQueue{private int[] data = new int[1000];private int size = 0;private int head = 0;private int tail = 0;private Object locker = new Object();//入队列public void put(int value) throws InterruptedException {synchronized (locker){if(size == data.length){//put 当中的 wait 要由 take 来唤醒，只要 take 成功一个元素，就可以唤醒了locker.wait();}//队列不满，把新的元素放入 tail 位置上data[tail] = value;tail++;//处理 tail 到达数组末尾的情况if(tail >= data.length){tail = 0;}size++;locker.notify();}}//出队列public Integer take() throws InterruptedException {synchronized (locker){if(size == 0){//说明队列为空，就需要等待，就需要 put 来唤醒locker.wait();}int ret = data[head];head++;if(head >= data.length){head = 0;}size--;//就说明 take 成功了。然后唤醒 put 中的等待。locker.notify();return ret;}}
}public class Example{private static MyBlockQueue queue = new MyBlockQueue();public static void main(String[] args) {//如果有多个生产者和多个消费者，就再多创建几个线程Thread producer = new Thread(()->{int num = 0 ;while(true){try{System.out.println("生产了："+num);queue.put(num);num++;}catch (InterruptedException e){e.printStackTrace();}}});producer.start();Thread customer = new Thread(()->{while(true){int num = 0;try{num = queue.take();System.out.println("消费了："+num);//消费慢，但是可以一直生产。1000 之后，队列满了，所以就阻塞了。直到消费了一个。Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}});customer.start();}}

在这里插入图片描述
put和take的相互唤醒之间的关系如下：
在这里插入图片描述

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