【Java】多线程案例(单例模式,阻塞队列,定时器,线程池)

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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:

java 复制代码
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。

java 复制代码
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:

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:

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:

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:

java 复制代码
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:

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 :

java 复制代码
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();
     }
 }

put和take的相互唤醒之间的关系如下:

定时器

像一个闹钟,在一定时间之后,被唤醒并执行某个之前设定好的任务。

标准库计时器

通过Timer的schedule任务来设计任务计划,Timer内部有专门的线程,来负责执行注册的任务,所以执行完后,并不会马上退出线程,即使所有计划中的任务都已执行完毕,这个内部线程也不会立即结束。它会继续运行,等待其他可能的任务或直到显式地被取消。

java 复制代码
public static void main(String[] args) {
    Timer timer = new Timer();
    timer.schedule(new TimerTask() {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("Hello Timer");
        }
    }, 3000);//就是在 3 秒之后执行这个任务,
    System.out.println("main");
}

线程并没有结束,因为 Timer 内部有专门的线程,来负责执行注册的任务的。

线程池

因为进程比较重,频繁的创建和销毁,开销就会大 ,解决方法:进程池 or 线程:

线程:虽然比进程轻了,但是如果创建和销毁的频率进一步增加,发现开销还是有的,解决方案:线程池 or 协程。

线程池:把线程提前创建好,放到池子里,需要的话,就从池子里取。不用的话,就放回池子里,下次备用。这样创建销毁线程,速度就快了。

用户态和内核态

操作系统中的用户态和内核态。操作系统软件结构图:

1.我们写的代码就是在最上面的应用程序这一层来运行的,这里的代码被称为"用户态"运行的代码

2.当应用程序需要执行一些底层操作,例如文件访问,网络通信,线程管理等,就需要调用操作系统中提供的API。这些API的内部实现会在内核态运行,这是操作系统的核心部分

3.创建线程的本身就需要内核的支持,创建线程的本质是在内核中搞个 PCB 加到链表里,调用 Thread.start 归根结底,也是要进入内核态来运行

4.线程池是一种高级的编程工具,通常是在用户态实现的。线程池中的线程被预先创建并保留在池中,而不需要频繁地创建和销毁线程。从线程池中获取线程执行任务时,这个过程是在用户态中完成的,不需要涉及到内核态。这提高了效率,因为避免了频繁的内核态切换。

5.一般来说,执行在用户态的操作比需要进入内核态的操作更高效,因为内核态切换会涉及到更多的开销和复杂性。因此,尽量减少进入内核态的操作对于提高程序性能是有益的。

6.线程池里面的线程,一直保存在里面,不会被内核回收。

标准的线程池库

ThreadPoolExecutor 是标准库的线程池,构造方法有很多参数:

最重要的还是这两个参数,就是需要指定多少个线程,可以通过性能测试判断出最合适的核心线程数和最大线程数:


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