聊聊并发编程的12种业务场景

前言

并发编程是一项非常重要的技术，无论在面试，还是工作中出现的频率非常高。

并发编程说白了就是多线程编程，但多线程一定比单线程效率更高？

答：不一定，要看具体业务场景。

毕竟如果使用了多线程，那么线程之间的竞争和抢占cpu资源，线程的上下文切换，也是相对来说比较耗时的操作。

下面这几个问题在面试中，你必定遇到过：

你在哪来业务场景中使用过多线程？
怎么用的？
踩过哪些坑？

今天聊聊我之前在项目中用并发编程的12种业务场景，给有需要的朋友一个参考。

1. 简单定时任务

各位亲爱的朋友，你没看错，Thread类真的能做定时任务。如果你看过一些定时任务框架的源码，你最后会发现，它们的底层也会使用Thread类。

实现这种定时任务的具体代码如下：

public static void init() {new Thread(() -> {while (true) {try {System.out.println("下载文件");Thread.sleep(1000 * 60 * 5);} catch (Exception e) {log.error(e);}}}).start();
}

使用Thread类可以做最简单的定时任务，在run方法中有个while的死循环（当然还有其他方式），执行我们自己的任务。有个需要特别注意的地方是，需要用try...catch捕获异常，否则如果出现异常，就直接退出循环，下次将无法继续执行了。

但这种方式做的定时任务，只能周期性执行，不能支持定时在某个时间点执行。

特别提醒一下，该线程建议定义成守护线程，可以通过setDaemon方法设置，让它在后台默默执行就好。

使用场景：比如项目中有时需要每隔5分钟去下载某个文件，或者每隔10分钟去读取模板文件生成静态html页面等等，一些简单的周期性任务场景。

使用Thread类做定时任务的优缺点：

优点：这种定时任务非常简单，学习成本低，容易入手，对于那些简单的周期性任务，是个不错的选择。
缺点：不支持指定某个时间点执行任务，不支持延迟执行等操作，功能过于单一，无法应对一些较为复杂的场景。

2.监听器

有时候，我们需要写个监听器，去监听某些数据的变化。

比如：我们在使用canal的时候，需要监听binlog的变化，能够及时把数据库中的数据，同步到另外一个业务数据库中。

如果直接写一个监听器去监听数据就太没意思了，我们想实现这样一个功能：在配置中心有个开关，配置监听器是否开启，如果开启了使用单线程异步执行。

主要代码如下：

@Service
public CanalService {private volatile boolean running = false;private Thread thread;@Autowiredprivate CanalConnector canalConnector;public void handle() {//连接canalwhile(running) {//业务处理}}public void start() {thread = new Thread(this::handle, "name");running = true;thread.start();}public void stop() {if(!running) {return;}running = false;}
}

在start方法中开启了一个线程，在该线程中异步执行handle方法的具体任务。然后通过调用stop方法，可以停止该线程。

其中，使用volatile关键字控制的running变量作为开关，它可以控制线程中的状态。

接下来，有个比较关键的点是：如何通过配置中心的配置，控制这个开关呢？

以apollo配置为例，我们在配置中心的后台，修改配置之后，自动获取最新配置的核心代码如下：

public class CanalConfig {@Autowiredprivate CanalService canalService;@ApolloConfigChangeListenerpublic void change(ConfigChangeEvent event) {String value = event.getChange("test.canal.enable").getNewValue();if(BooleanUtils.toBoolean(value)) {canalService.start();} else {canalService.stop();}}
}

通过apollo的ApolloConfigChangeListener注解，可以监听配置参数的变化。

如果test.canal.enable开关配置的true，则调用canalService类的start方法开启canal数据同步功能。如果开关配置的false，则调用canalService类的stop方法，自动停止canal数据同步功能。

3.收集日志

在某些高并发的场景中，我们需要收集部分用户的日志（比如：用户登录的日志），写到数据库中，以便于做分析。

但由于项目中，还没有引入消息中间件，比如：kafka、rocketmq等。

如果直接将日志同步写入数据库，可能会影响接口性能。

所以，大家很自然想到了异步处理。

实现这个需求最简单的做法是，开启一个线程，异步写入数据到数据库即可。

这样做，可以是可以。

但如果用户登录操作的耗时，比异步写入数据库的时间要少得多。这样导致的结果是：生产日志的速度，比消费日志的速度要快得多，最终的性能瓶颈在消费端。

其实，还有更优雅的处理方式，虽说没有使用消息中间件，但借用了它的思想。

这套记录登录日志的功能，分为：日志生产端、日志存储端和日志消费端。

如下图所示：

先定义了一个阻塞队列。

@Component
public class LoginLogQueue {private static final int QUEUE_MAX_SIZE    = 1000;private BlockingQueueblockingQueue queue = new LinkedBlockingQueue<>(QUEUE_MAX_SIZE);//生成消息public boolean push(LoginLog loginLog) {return this.queue.add(loginLog);} //消费消息public LoginLog poll() {LoginLog loginLog = null;try {loginLog = this.queue.take();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}return result;}
}

然后定义了一个日志的生产者。

@Service
public class LoginSerivce {@Autowiredprivate LoginLogQueue loginLogQueue;public int login(UserInfo userInfo) {//业务处理LoginLog loginLog = convert(userInfo);loginLogQueue.push(loginLog);}  
}

接下来，定义了日志的消费者。

@Service
public class LoginInfoConsumer {@Autowiredprivate LoginLogQueue queue;@PostConstructpublic voit init {new Thread(() -> {while (true) {LoginLog loginLog = queue.take();//写入数据库}}).start();}
}

当然，这个例子中使用单线程接收登录日志，为了提升性能，也可以使用线程池来处理业务逻辑（比如：写入数据库）等。

4.excel导入

我们可能会经常收到运营同学提过来的excel数据导入需求，比如：将某一大类下的所有子类一次性导入系统，或者导入一批新的供应商数据等等。

我们以导入供应商数据为例，它所涉及的业务流程很长，比如：

调用天眼查接口校验企业名称和统一社会信用代码。
写入供应商基本表
写入组织表
给供应商自动创建一个用户
给该用户分配权限
自定义域名
发站内通知

等等。

如果在程序中，解析完excel，读取了所有数据之后。用单线程一条条处理业务逻辑，可能耗时会非常长。

为了提升excel数据导入效率，非常有必要使用多线程来处理。

当然在java中实现多线程的手段有很多种，下面重点聊聊java8中最简单的实现方式：parallelStream。

伪代码如下：

supplierList.parallelStream().forEach(x -> importSupplier(x));

parallelStream是一个并行执行的流，它默认通过ForkJoinPool实现的，能提高你的多线程任务的速度。

ForkJoinPool处理的过程会分而治之，它的核心思想是：将一个大任务切分成多个小任务。每个小任务都能单独执行，最后它会把所用任务的执行结果进行汇总。

下面用一张图简单介绍一下ForkJoinPool的原理：

当然除了excel导入之外，还有类似的读取文本文件，也可以用类似的方法处理。

温馨的提醒一下，如果一次性导入的数据非常多，用多线程处理，可能会使系统的cpu使用率飙升，需要特别关注。

5.查询接口

很多时候，我们需要在某个查询接口中，调用其他服务的接口，组合数据之后，一起返回。

比如有这样的业务场景：

在用户信息查询接口中需要返回：用户名称、性别、等级、头像、积分、成长值等信息。

而用户名称、性别、等级、头像在用户服务中，积分在积分服务中，成长值在成长值服务中。为了汇总这些数据统一返回，需要另外提供一个对外接口服务。

于是，用户信息查询接口需要调用用户查询接口、积分查询接口和成长值查询接口，然后汇总数据统一返回。

调用过程如下图所示：

调用远程接口总耗时 530ms = 200ms + 150ms + 180ms

显然这种串行调用远程接口性能是非常不好的，调用远程接口总的耗时为所有的远程接口耗时之和。

那么如何优化远程接口性能呢？

既然串行调用多个远程接口性能很差，为什么不改成并行呢？

如下图所示：

调用远程接口总耗时 200ms = 200ms（即耗时最长的那次远程接口调用）

在java8之前可以通过实现Callable接口，获取线程返回结果。

java8以后通过CompleteFuture类实现该功能。我们这里以CompleteFuture为例：

public UserInfo getUserInfo(Long id) throws InterruptedException, ExecutionException {final UserInfo userInfo = new UserInfo();CompletableFuture userFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {getRemoteUserAndFill(id, userInfo);return Boolean.TRUE;}, executor);CompletableFuture bonusFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {getRemoteBonusAndFill(id, userInfo);return Boolean.TRUE;}, executor);CompletableFuture growthFuture = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {getRemoteGrowthAndFill(id, userInfo);return Boolean.TRUE;}, executor);CompletableFuture.allOf(userFuture, bonusFuture, growthFuture).join();userFuture.get();bonusFuture.get();growthFuture.get();return userInfo;
}

温馨提醒一下，这两种方式别忘了使用线程池。示例中我用到了executor，表示自定义的线程池，为了防止高并发场景下，出现线程过多的问题。

6.获取用户上下文

不知道你在项目开发时，有没有遇到过这样的需求：用户登录之后，在所有的请求接口中，通过某个公共方法，就能获取到当前登录用户的信息？

获取的用户上下文，我们以CurrentUser为例。

CurrentUser内部包含了一个ThreadLocal对象，它负责保存当前线程的用户上下文信息。当然为了保证在线程池中，也能从用户上下文中获取到正确的用户信息，这里用了阿里的TransmittableThreadLocal。伪代码如下：

@Data
public class CurrentUser {private static final TransmittableThreadLocal<CurrentUser> THREA_LOCAL = new TransmittableThreadLocal<>();private String id;private String userName;private String password;private String phone;...public statis void set(CurrentUser user) {THREA_LOCAL.set(user);}public static void getCurrent() {return THREA_LOCAL.get();}
}

这里为什么用了阿里的TransmittableThreadLocal，而不是普通的ThreadLocal呢？在线程池中，由于线程会被多次复用，导致从普通的ThreadLocal中无法获取正确的用户信息。父线程中的参数，没法传递给子线程，而TransmittableThreadLocal很好解决了这个问题。

然后在项目中定义一个全局的spring mvc拦截器，专门设置用户上下文到ThreadLocal中。伪代码如下：

public class UserInterceptor extends HandlerInterceptorAdapter {@Override  public boolean preHandle(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler) throws Exception {CurrentUser user = getUser(request);if(Objects.nonNull(user)) {CurrentUser.set(user);}} 
}

用户在请求我们接口时，会先触发该拦截器，它会根据用户cookie中的token，调用调用接口获取redis中的用户信息。如果能获取到，说明用户已经登录，则把用户信息设置到CurrentUser类的ThreadLocal中。

接下来，在api服务的下层，即business层的方法中，就能轻松通过CurrentUser.getCurrent();方法获取到想要的用户上下文信息了。

这套用户体系的想法是很good的，但深入使用后，发现了一个小插曲：

api服务和mq消费者服务都引用了business层，business层中的方法两个服务都能直接调用。

我们都知道在api服务中用户是需要登录的，而mq消费者服务则不需要登录。

如果business中的某个方法刚开始是给api开发的，在方法深处使用了CurrentUser.getCurrent();获取用户上下文。但后来，某位新来的帅哥在mq消费者中也调用了那个方法，并未发觉这个小机关，就会中招，出现找不到用户上下文的问题。

所以我当时的第一个想法是：代码没做兼容处理，因为之前这类问题偶尔会发生一次。

想要解决这个问题，其实也很简单。只需先判断一下能否从CurrentUser中获取用户信息，如果不能，则取配置的系统用户信息。伪代码如下：

@Autowired
private BusinessConfig businessConfig;CurrentUser user = CurrentUser.getCurrent();
if(Objects.nonNull(user)) {entity.setUserId(user.getUserId());entity.setUserName(user.getUserName());
} else {entity.setUserId(businessConfig.getDefaultUserId());entity.setUserName(businessConfig.getDefaultUserName());
}

这种简单无公害的代码，如果只是在一两个地方加还OK。

此外，众所周知，SimpleDateFormat在java8以前，是用来处理时间的工具类，它是非线程安全的。也就是说，用该方法解析日期会有线程安全问题。

为了避免线程安全问题的出现，我们可以把SimpleDateFormat对象定义成局部变量。但如果你一定要把它定义成静态变量，可以使用ThreadLocal保存日期，也能解决线程安全问题。

8. 传递参数

之前见过有些同事写代码时，一个非常有趣的用法，即：使用MDC传递参数。

MDC是什么？

MDC是org.slf4j包下的一个类，它的全称是Mapped Diagnostic Context，我们可以认为它是一个线程安全的存放诊断日志的容器。

MDC的底层是用了ThreadLocal来保存数据的。

例如现在有这样一种场景：我们使用RestTemplate调用远程接口时，有时需要在header中传递信息，比如：traceId，source等，便于在查询日志时能够串联一次完整的请求链路，快速定位问题。

这种业务场景就能通过ClientHttpRequestInterceptor接口实现，具体做法如下：

第一步，定义一个LogFilter拦截所有接口请求，在MDC中设置traceId：

public class LogFilter implements Filter {@Overridepublic void init(FilterConfig filterConfig) throws ServletException {}@Overridepublic void doFilter(ServletRequest request, ServletResponse response, FilterChain chain) throws IOException, ServletException {MdcUtil.add(UUID.randomUUID().toString());System.out.println("记录请求日志");chain.doFilter(request, response);System.out.println("记录响应日志");}@Overridepublic void destroy() {}
}

第二步，实现ClientHttpRequestInterceptor接口，MDC中获取当前请求的traceId，然后设置到header中：

public class RestTemplateInterceptor implements ClientHttpRequestInterceptor {@Overridepublic ClientHttpResponse intercept(HttpRequest request, byte[] body, ClientHttpRequestExecution execution) throws IOException {request.getHeaders().set("traceId", MdcUtil.get());return execution.execute(request, body);}
}

第三步，定义配置类，配置上面定义的RestTemplateInterceptor类：

@Configuration
public class RestTemplateConfiguration {@Beanpublic RestTemplate restTemplate() {RestTemplate restTemplate = new RestTemplate();restTemplate.setInterceptors(Collections.singletonList(restTemplateInterceptor()));return restTemplate;}@Beanpublic RestTemplateInterceptor restTemplateInterceptor() {return new RestTemplateInterceptor();}
}

其中MdcUtil其实是利用MDC工具在ThreadLocal中存储和获取traceId

public class MdcUtil {private static final String TRACE_ID = "TRACE_ID";public static String get() {return MDC.get(TRACE_ID);}public static void add(String value) {MDC.put(TRACE_ID, value);}
}

当然，这个例子中没有演示MdcUtil类的add方法具体调的地方，我们可以在filter中执行接口方法之前，生成traceId，调用MdcUtil类的add方法添加到MDC中，然后在同一个请求的其他地方就能通过MdcUtil类的get方法获取到该traceId。

能使用MDC保存traceId等参数的根本原因是，用户请求到应用服务器，Tomcat会从线程池中分配一个线程去处理该请求。

那么该请求的整个过程中，保存到MDC的ThreadLocal中的参数，也是该线程独享的，所以不会有线程安全问题。

9. 模拟高并发

有时候我们写的接口，在低并发的场景下，一点问题都没有。

但如果一旦出现高并发调用，该接口可能会出现一些意想不到的问题。

为了防止类似的事情发生，一般在项目上线前，我们非常有必要对接口做一下压力测试。

当然，现在已经有比较成熟的压力测试工具，比如：Jmeter、LoadRunner等。

如果你觉得下载压测工具比较麻烦，也可以手写一个简单的模拟并发操作的工具，用CountDownLatch就能实现，例如：

public static void concurrenceTest() {/*** 模拟高并发情况代码*/final AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1000); // 相当于计数器，当所有都准备好了，再一起执行，模仿多并发，保证并发量final CountDownLatch countDownLatch2 = new CountDownLatch(1000); // 保证所有线程执行完了再打印atomicInteger的值ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);try {for (int i = 0; i < 1000; i++) {executorService.submit(new Runnable() {@Overridepublic void run() {try {countDownLatch.await(); //一直阻塞当前线程，直到计时器的值为0,保证同时并发} catch (InterruptedException e) {log.error(e.getMessage(),e);}//每个线程增加1000次，每次加1for (int j = 0; j < 1000; j++) {atomicInteger.incrementAndGet();}countDownLatch2.countDown();}});countDownLatch.countDown();}countDownLatch2.await();// 保证所有线程执行完executorService.shutdown();} catch (Exception e){log.error(e.getMessage(),e);}
}

10. 处理mq消息

在高并发的场景中，消息积压问题，可以说如影随形，真的没办法从根本上解决。表面上看，已经解决了，但后面不知道什么时候，就会冒出一次，比如这次：

有天下午，产品过来说：有几个商户投诉过来了，他们说菜品有延迟，快查一下原因。

这次问题出现得有点奇怪。

为什么这么说？

首先这个时间点就有点奇怪，平常出问题，不都是中午或者晚上用餐高峰期吗？怎么这次问题出现在下午？

根据以往积累的经验，我直接看了kafka的topic的数据，果然上面消息有积压，但这次每个partition都积压了十几万的消息没有消费，比以往加压的消息数量增加了几百倍。这次消息积压得极不寻常。

我赶紧查服务监控看看消费者挂了没，还好没挂。又查服务日志没有发现异常。这时我有点迷茫，碰运气问了问订单组下午发生了什么事情没？他们说下午有个促销活动，跑了一个JOB批量更新过有些商户的订单信息。

这时，我一下子如梦初醒，是他们在JOB中批量发消息导致的问题。怎么没有通知我们呢？实在太坑了。

虽说知道问题的原因了，倒是眼前积压的这十几万的消息该如何处理呢？

此时，如果直接调大partition数量是不行的，历史消息已经存储到4个固定的partition，只有新增的消息才会到新的partition。我们重点需要处理的是已有的partition。

直接加服务节点也不行，因为kafka允许同组的多个partition被一个consumer消费，但不允许一个partition被同组的多个consumer消费，可能会造成资源浪费。

看来只有用多线程处理了。

为了紧急解决问题，我改成了用线程池处理消息，核心线程和最大线程数都配置成了50。

大致用法如下：

先定义一个线程池：

@Configuration
public class ThreadPoolConfig {@Value("${thread.pool.corePoolSize:5}")private int corePoolSize;@Value("${thread.pool.maxPoolSize:10}")private int maxPoolSize;@Value("${thread.pool.queueCapacity:200}")private int queueCapacity;@Value("${thread.pool.keepAliveSeconds:30}")private int keepAliveSeconds;@Value("${thread.pool.threadNamePrefix:ASYNC_}")private String threadNamePrefix;@Bean("messageExecutor")public Executor messageExecutor() {ThreadPoolTaskExecutor executor = new ThreadPoolTaskExecutor();executor.setCorePoolSize(corePoolSize);executor.setMaxPoolSize(maxPoolSize);executor.setQueueCapacity(queueCapacity);executor.setKeepAliveSeconds(keepAliveSeconds);executor.setThreadNamePrefix(threadNamePrefix);executor.setRejectedExecutionHandler(new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy());executor.initialize();return executor;}
}

再定义一个消息的consumer：

@Service
public class MyConsumerService {@Autowiredprivate Executor messageExecutor;@KafkaListener(id="test",topics={"topic-test"})public void listen(String message){System.out.println("收到消息：" + message);messageExecutor.submit(new MyWork(message);}
}

在定义的Runable实现类中处理业务逻辑：

public class MyWork implements Runnable {private String message;public MyWork(String message) {this.message = message;}@Overridepublic void run() {System.out.println(message);}
}

果然，调整之后消息积压数量确实下降的非常快，大约半小时后，积压的消息就非常顺利的处理完了。

但此时有个更严重的问题出现：我收到了报警邮件，有两个订单系统的节点down机了。。。

更详细内容，请看看我的另一篇文章《我用kafka两年踩过的一些非比寻常的坑》

11. 统计数量

在多线程的场景中，有时候需要统计数量，比如：用多线程导入供应商数据时，统计导入成功的供应商数有多少。

如果这时候用count++统计次数，最终的结果可能会不准。因为count++并非原子操作，如果多个线程同时执行该操作，则统计的次数，可能会出现异常。

为了解决这个问题，就需要使用concurent的atomic包下面的类，比如：AtomicInteger、AtomicLong等。

@Servcie
public class ImportSupplierService {private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);public int importSupplier(List<SupplierInfo> supplierList) {if(CollectionUtils.isEmpty(supplierList)) {return 0;}supplierList.parallelStream().forEach(x -> {try {importSupplier(x);count.addAndGet(1);} catch(Exception e) {log.error(e.getMessage(),e);});return count.get();}    
}

AtomicInteger的底层说白了使用自旋锁+CAS。

public final int incrementAndGet() {for (;;) {int current = get();int next = current + 1;if (compareAndSet(current, next))return next;}
}

自旋锁说白了就是一个死循环。

而CAS是比较和交换的意思。

它的实现逻辑是：将内存位置处的旧值与预期值进行比较，若相等，则将内存位置处的值替换为新值。若不相等，则不做任何操作。

12. 延迟定时任务

我们经常有延迟处理数据的需求，比如：如果用户下单后，超过30分钟还未完成支付，则系统自动将该订单取消。

这里需求就可以使用延迟定时任务实现。

ScheduledExecutorService是JDK1.5+版本引进的定时任务，该类位于java.util.concurrent并发包下。

ScheduledExecutorService是基于多线程的，设计的初衷是为了解决Timer单线程执行，多个任务之间会互相影响的问题。

它主要包含4个方法：

schedule(Runnable command,long delay,TimeUnit unit)，带延迟时间的调度，只执行一次，调度之后可通过Future.get()阻塞直至任务执行完毕。
schedule(Callablecallable,long delay,TimeUnit unit)，带延迟时间的调度，只执行一次，调度之后可通过Future.get()阻塞直至任务执行完毕，并且可以获取执行结果。
scheduleAtFixedRate，表示以固定频率执行的任务，如果当前任务耗时较多，超过定时周期period，则当前任务结束后会立即执行。
scheduleWithFixedDelay，表示以固定延时执行任务，延时是相对当前任务结束为起点计算开始时间。

实现这种定时任务的具体代码如下：

public class ScheduleExecutorTest {public static void main(String[] args) {ScheduledExecutorService scheduledExecutorService = Executors.newScheduledThreadPool(5);scheduledExecutorService.scheduleAtFixedRate(() -> {System.out.println("doSomething");},1000,1000, TimeUnit.MILLISECONDS);}
}

调用ScheduledExecutorService类的scheduleAtFixedRate方法实现周期性任务，每隔1秒钟执行一次，每次延迟1秒再执行。

这种定时任务是阿里巴巴开发者规范中用来替代Timer类的方案，对于多线程执行周期性任务，是个不错的选择。

使用ScheduledExecutorService类做延迟定时任务的优缺点：