JavaEE初阶-多线程4

文章目录

  • 一、单例模式
    • 1.1 饿汉模式
    • 1.2 懒汉模式
  • 二、阻塞队列
    • 1.1 生产者消费者模型
      • 1.1.1 现实生活举例
      • 1.1.2 生产者消费模型的两个优势
        • 1.1.2.1 解耦合
        • 1.1.2.2 削峰填谷
    • 1.2 阻塞队列代码
      • 1.2.1 使用java标准库的阻塞队列实现生产者消费者模型
      • 1.2.2 实现自己的阻塞队列


一、单例模式

单例模式是一种经典的设计模式,指的是对于整个进程中的某个类,有且仅有一个对象。单例模式有两种写法,分别为饿汉模式和懒汉模式。

1.1 饿汉模式

代码如下:

package Thread;class Singleton {public static Singleton instance = new Singleton();public static Singleton getInstance() {return instance;}private Singleton() {}
}public class Demo31 {public static void main(String[] args) {Singleton s1 = Singleton.getInstance();Singleton s2 = Singleton.getInstance();System.out.println(s1 == s2);}
}

为什么叫饿汉模式,因为在这个单例类中,在类的加载的时候直接定义并且建立了一个实例对象,这就凸显了“饿”的思想。因为在类的初始化时就已经建立好一个对象了,所以后续如果在多线程的情况下使用getInstance方法就不会设计线程安全的问题,因为此时只是一个多线程读取同一个变量的问题。然后我们还发现,单例类中的构造函数被private修饰,这时为了避免在类外去实例化其它的对象,从而达到“单例”的效果。

1.2 懒汉模式

在计算机这个领域当中,“懒”往往不是个贬义词,懒代表着高效率,懒汉模式不是在类初始化时就直接创建实例,而是等到需要使用实例的时候才去创建,这样当不需要使用实例时就能省下创建实例的开销。
代码如下:

package Thread;class Singleton1 {public static Singleton1 instance = null;public static Singleton1 getInstance() {if (instance == null) { instance = new Singleton1();}return instance;}private Singleton1() {}
}public class Demo32 {public static void main(String[] args) {Singleton1 s1 = Singleton1.getInstance();Singleton1 s2 = Singleton1.getInstance();System.out.println(s1 == s2);}
}

上述代码是一个懒汉模式的简单代码,我们不难想到它是线程不安全的。因为在多线程的环境下去调用getInstance这个方法相当于在多线程的环境下来修改同一个变量,就会出现线程安全问题。
在这里插入图片描述
如图,如果两个线程以这样的方式执行代码,线程1执行到if后线程2立马也执行到if,然后线程1创建实例,线程2也跟着创建实例,此时进程中就创建了两个实例,出现了安全问题。不要意味多创建一个实例没什么大不了的,单例模式的应用场景如下:

例一:
比如你写的服务器要从硬盘上加载100G数据到内存中,要写一个类来封装以上的加载操作,并且写一些获取或处理数据的逻辑,这样的类就应该是单例的,一个实例就管理100G的数据,建立多个实例机器也吃不消。
例二:
服务器可能会涉及一些配置项,代码中也需要专门的类来管理这些配置,需要加载配置数据到内存以供其它代码使用。这样的类也应该是单例的。因为配置是唯一的,如果有多个实例,那应该以哪个为准?

因此多创建一个实例,可能这个实例会管理100G的数据,会造成很大开销。下面我们回归正题,既然有线程安全的问题,那么我们就要去解决,给代码加锁。代码修改如下:

package Thread;class Singleton1 {public static Object locker = new Object();public static Singleton1 instance = null;public static Singleton1 getInstance() {synchronized (locker) {if (instance == null) { //避免在多线程情况下重复创建对象,造成线程安全问题instance = new Singleton1();}}return instance;}private Singleton1() {}
}public class Demo32 {public static void main(String[] args) {Singleton1 s1 = Singleton1.getInstance();Singleton1 s2 = Singleton1.getInstance();System.out.println(s1 == s2);}
}

这样就能避免前面的问题。当线程1进入if此时线程2是不可以的,因为加锁了,线程2直接堵塞。但是当实例创建好之后代码中就不涉及线程安全问题了,就是多个线程去读一个变量,同时加锁又是一个重量级得操作会影响到代码执行的效率,所以我们给getInstance方法的代码的锁之外再加上一层判断语句,如果已经有实例对象了就直接返回对象即可,无需再去执行后面的操作。代码修改如下:

package Thread;class Singleton1 {public static Object locker = new Object();public static volatile Singleton1 instance = null;public static Singleton1 getInstance() {if (instance == null) { //避免已经建立了对象重新上锁浪费性能,直接返回对象即可synchronized (locker) {if (instance == null) { //避免在多线程情况下重复创建对象,造成线程安全问题instance = new Singleton1();}}}return instance;}private Singleton1() {}
}public class Demo32 {public static void main(String[] args) {Singleton1 s1 = Singleton1.getInstance();Singleton1 s2 = Singleton1.getInstance();System.out.println(s1 == s2);}
}

此时完成懒汉单例模式代码编写。我们可以看到我们在instance变量声明时加上了volatile关键字,这是为了避免编译器优化策略中的内存可见性问题,避免在线程1中创建实例对象线程2中感知不到,但是这是很小概率是为了以防万一。另外加上volatile也可以避免另一种编译器优化策略即指令重排序造成的问题。

指令重排序:
编译器比较智能,会将从代码中得到的二进制指令序列的顺序进行调整从而提高效率,重排序的前提就是结果不会发生改变,这种策略在单线程的情况下当然没有问题,但是在多线程的情况下就可能会出现问题。

对于instance = new Singleton1();这段代码可以分为三步,第一步就是申请空间,第二步初始化空间,第三步是将空间的地址赋给instance这里的引用,本来是这样的执行顺序,但是经过编译器优化策略即指令重排序,执行顺序变为了一三二。
在这里插入图片描述

如图,如果经过指令重排序后指令执行顺序为一三二,那么在线程1完成第一步和第三步即申请完空间并且赋给instance引用后线程2开始执行,因为此时instance已经被赋值并非为null,所以后面会直接返回instance,但是此时的instance是未被初始化的空间,因此对其进行操作肯定会出错。为了避免这种指令重排序造成的线程安全问题,就在instance前加上volatile,其它变量也是一样。

单例模式补充扩展:
单例模式确保反射安全,即使使用反射也无法破坏单例模式特性。
单例模式确保序列化下安全,即使使用java标准库中的序列化特性也无法破坏单例特性。
对象转为二进制字符串->序列化
二进制字符串转为对象->反序列化

二、阻塞队列

相对于优先级队列和普通队列,阻塞队列是线程安全的并且带有阻塞功能。当队列为空时如果要执行出队列的操作,那么出队列操作就会阻塞直至队列不为空。当队列满的时候也是一样,会阻塞入队列的操作直至队列不为满。BlockingQueue这就是java标准库提供的阻塞队列的接口。
与阻塞队列相似的还有消息队列,消息会通过topic对数据进行归类,每个类别都是一个阻塞队列,指定topic,每个topic下的数据都是先进先出的。因为消息队列这样的数据结构太好用了,所以在实际开发中往往会将消息队列封装成单独的服务器程序,这样的服务器程序也被称为消息队列。消息队列在实际开发中经常用于实现生产者消费者模型。普通的阻塞队列也可以实现生产者消费者模型,主要是看场景,如果是在一个进程中,那么使用阻塞队列即可,如果是需要在分布式系统中实现生产者消费者模型,那么就需要消息队列。

1.1 生产者消费者模型

生产者消费者模型是用来解决问题的经典方案。

1.1.1 现实生活举例

在这里插入图片描述
如图右三个滑稽包饺子,滑稽A负责擀饺子皮,滑稽B和C负责包饺子,滑稽A将饺子皮擀好了放在中间的盘子上,然后滑稽B和C拿盘子上的饺子皮来包饺子。在这个过程中A就是生产者,B和C就是消费者,A生产数据,B使用数据,中间的盘子是一个阻塞队列,当盘子中为空时相当于队列为空,此时B和C就要堵塞,要等待盘子中有饺子皮。当盘子被饺子皮装满,此时A就要阻塞,不能再放入饺子皮了。

1.1.2 生产者消费模型的两个优势

1.1.2.1 解耦合

在这里插入图片描述
以上是一个很简单的示意图,A和B之间相互调用,那么A当中就需要包含和B相关的代码或逻辑,相同的B当中也需要包含和A相关的代码或逻辑,这样A和B之间就具有了一定的耦合,当修改A时,B也要跟着改变,当修改B时也是一样A也要跟着改变。
在这里插入图片描述
如图当我们引入消息队列后A就不需要去直接和B打交道,A以及B直接和消息队列进行交互,这样A和B之间的互相影响很小。当我们要多引入一个C时,也不需要让A以及B修改任何代码,直接让C和消息队列交互即可,这样就达到了解耦合的效果。

1.1.2.2 削峰填谷

客户端发来的请求,个数多少无法预知,遇到某些突发事件可能会导致客户端对服务器的请求数量激增。一般来说接收方的处理逻辑相对复杂,当需求突然变多,服务器可能处理不过来导致直接挂掉。

在这里插入图片描述
在正常情况下都是A接收到一次请求就发送一条请求给B,因为B的处理逻辑通常比A复杂,因此当请求过多消耗的资源超过机器的上限,B就会挂掉。如图加入消息队列后就将B给保护起来了,此时B不需要考虑请求有多少,它可以按照自己的节奏来处理。
显然加入阻塞队列也有缺点,处理的速度变慢了。因为多了一次周转也就是网络通信,对于要求响应速度非常高的场景是不适用的。

1.2 阻塞队列代码

java标准库中的阻塞队列接口及其对应的阻塞队列的类如下。
在这里插入图片描述在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
其中需要注意的是LinkedBlockingQueue类是自动扩容的,因此只会再队列为空时对出队操作阻塞,不会阻塞入队操作。

1.2.1 使用java标准库的阻塞队列实现生产者消费者模型

代码如下:

package Thread;import java.util.concurrent.*;public class Demo34 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {ArrayBlockingQueue<Integer> blockingQueue=new ArrayBlockingQueue<>(10);Thread t2 = new Thread(() -> {int count = 1;while (true) {System.out.println("t2生产:" + count);try {blockingQueue.put(count);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}count++;}});Thread t3 = new Thread(() -> {try {while (true) {System.out.println("t3消费:" + blockingQueue.take());Thread.sleep(1000);}} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}});t2.start();Thread.sleep(1000);t3.start();}}

这段代码因为设置了进程中的放入时间的间隔,所以每次生产者线程t2数据一生成就被t3线程消费掉了,代码执行的效果如下:
在这里插入图片描述

1.2.2 实现自己的阻塞队列

代码如下:

package Thread;import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.BlockingDeque;class MyArrayBlockingQueue {private volatile int head = 0;private volatile int tail = 0;private volatile int len = 0;private String[] blockQueue;private int size;public MyArrayBlockingQueue(int capacity) {blockQueue = new String[capacity];size = capacity;}public void put(String str) throws InterruptedException {synchronized (this) {//加入while是因为再次判断 因为interrupt也可以唤醒wait 所以要杜绝这种可能。while (len == size) {this.wait();// 这里处理异常使用了throws 如果这里被interrupt方法唤醒那么函数直接结束执行}blockQueue[tail] = str;tail++;if (tail >= blockQueue.length) {tail = 0;}len++;this.notify();}}public String take() throws InterruptedException {synchronized (this) {while (len == 0) {this.wait();}String ret = blockQueue[head];head++;if (head >= size) {head = 0;}len--;this.notify();return ret;}}
}public class Demo35 {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {MyArrayBlockingQueue myArrayBlockingQueue = new MyArrayBlockingQueue(1000);Thread t1 = new Thread(() -> {try {int count = 1;while (true) {System.out.println("生产:" + count);myArrayBlockingQueue.put(count + "");count++;Thread.sleep(1000);}} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}});Thread t2 = new Thread(() -> {while (true) {try {System.out.println("消费:" + myArrayBlockingQueue.take());// Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {throw new RuntimeException(e);}}});t1.start();t2.start();}
}

这里代码中使用了一个数组来实现了一个循环的阻塞的队列,大部分逻辑和循环队列是相似的,但是有一些部分不一样。代码中给put和take函数中都加上锁,因为这里要达到阻塞的效果就需要使用wait使得线程进入waiting状态,wait必须要在锁中使用。当使用put方法发现队列已经满了线程就要进入waiting状态,此时这里的判断条件是while循环,因为wait可以使用interrupt方法唤醒,所以使用循环多次判断,当某个线程调用了take方法拿走了队列中的数据,之后会直接唤醒这里put方法中的wait,take方法的思路也和put方法中一致。然后代码中的变量都加上了volatile为了以防万一避免内存可见性以及指令重排序的问题。

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