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Day 10：多线程（8）
单例模式
单例模式 ：某个类在进程中只能有++唯一实例++，需要一定的编程技巧，作出限制，一旦代码写的有问题，创建了多个实例，直接编译报错
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饿汉模式：程序运行的时候，就立即创建实例
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懒汉模式：首次使用的时候，才创建实例
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加锁：把if和new包裹起来
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双重if
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给变量上加上volatile
可能会涉及到内存可见性问题 ：t1线程修改了Instance引用，t2有可能读不到（概率应该比较小），加上volatile是为了万无一失，另一方面，加上volatile也能够解决指令重排序引起的线程安全问题
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指令重排序 ：也是编译器的一种优化策略，++编译器优化有很多种策略++，比如把读内存优化到读寄存器、指令重排序、循环展开、条件分支预测等
写的代码最终编译成了一系列的二进制指令，正常来说，CPU是按照顺序，一条一条地执行，但是编译器比较智能，会根据实际情况，生成的二进制指令的执行顺序可能和最初写代码的顺序存在差别，调整顺序的最主要的目的就是为了提高效率（前提是保证逻辑是等价的）
- 指令重排序的前提一定是重新排序之后，++逻辑和之前等价++
- 单线程下，编译器进行指令重排序的操作，一般都是没有问题的，编译器可以准确地识别出，哪些操作可以重排序，而不会影响到逻辑
- 多线程下，判定就可能不准确了，可能出现重排序后，逻辑发生了改变
对于instance = new SingletonLazy();可以大体上细分为三个步骤：
- 申请内存空间
- 调用构造方法（对内存空间进行初始化）
- 把此时内存空间的地址，赋值给instance引用
++在指令重排序优化策略下++ ，上述执行的过程，不一定是123，有可能是132（1一定是先执行的），这两种执行方式，单线程 下都是可以的，但是如果是132，在多线程下，可能会引起bug
java
package thread;
class SingletonLazy {
private static SingletonLazy instance = null;
private static Object locker = new Object();
public static SingletonLazy getInstance(){
if (instance == null){
synchronized (locker){
if (instance == null){
instance = new SingletonLazy();
}
}
}
return instance;
}
private SingletonLazy() {
}
}
public class Demo28 {
public static void main(String[] args) {
SingletonLazy s1 = SingletonLazy.getInstance();
SingletonLazy s2 = SingletonLazy.getInstance();
System.out.println(s1 == s2);
}
} - t1线程判断
instance == null成立，进行加锁，进一步判断instance == null成立，进行instance = new SingletonLazy()，在这一过程中++完成了++ 1申请内存和3把地址赋值给引用 ，一旦3执行完，意味着instance为非null，但是指向的对象其实是一个未初始化的对象（里面的成员都是默认值） - 此时t2线程判断
instance == null不成立，直接返回instance这个未初始化完毕的对象 - 然后接下来t1线程才开始进行2调用构造函数
这种情况下，后续的对SingletonLazy s1 = SingletonLazy.getInstance();操作，都是针对未初始化的对象进行操作，存在严重问题
要解决上述问题，就需要引入volatile
- volatile不仅仅能解决内存可见性问题 ，也能禁止针对这个变量读写操作的指令重排序问题
- 指令重排序在很多地方都可能发生，volatile特指的是针对某个对象的读写操作过程中，不会出现重排序
- 按照加上volatile之后，此时t2线程读到的数据，一定是t1已经构造完毕的完整对象了
上述谈到的指令重排序涉及到的问题很难进行验证，本身就是一个小概率的事件，即使不加volatile运行程序，运行几百次几千次，应该也是正确的，指不定啥时候会出现问题，加上volatile总是万无一失的做法，程序员也不确定是否在某个JVM这样版本中更好的处理这样的问题
面试中考察单例模式
- 先写最初的版本，即不考虑线程安全的版本
- 加上锁
- 加上双重if
- 最后加上volatile
关于单例模式的延伸
（1）单例模式要确保反射下安全，即使动用反射也无法破坏单例特性
（2）单例模式要确保序列化下安全，即使动用Java标准库的序列化机制，也无法破坏单例特性
阻塞队列
之前学习过的普通队列和优先级队列都是线程不安全的，阻塞队列是先进先出的、线程安全的并且带有阻塞功能
- 队列为空，尝试出队列，出队列操作就会阻塞，一直阻塞到队列不为空为止
- 队列为满，尝试入队列，入队列操作也会阻塞，一直阻塞到队列不满为止
BlockingQueue就是标准库提供的阻塞队列
除了阻塞队列之外，还有消息队列：不是普通的先进先出，而是通过topic这样的参数来对数据进行归类，出队列的时候，指定topic，每个topic下的数据是先进先出的，消息队列往往也会带有阻塞特性
由于消息队列这样的数据结构太好用了，因此实际开发中，经常会把这样的数据结构封装成单独的服务器程序，单独部署
消息队列能够起到的作用，就是实现"生产者消费者模型"
1. 生产者消费者模型
生产者消费者模型，在开发中主要有两方面的意义：
- 能够让程序进行解耦合
- 能够使程序削峰填谷
生产者消费者模型的实现：
- 需要在一个进程内实现，使用阻塞队列即可
- 需要在分布式系统中实现，需要使用单独部署的消息队列服务器
简单来说生产者消费者模型就是一些线程负责"生产产品"，另一些线程负责"消费产品"
如果"生产产品"速度较慢，那么"消费产品"就会阻塞等待
如果"消费产品"速度较慢，那么"生产产品"就会阻塞等待
也就是说生产者和消费者之间多了一个消息队列
1.1 生产者消费者模型解耦合
如果让A直接调用B，意味着A的代码中就要包含很多和B相关的逻辑，B的代码中也会包含和A相关的逻辑，彼此之间就有一定的耦合
- 一旦A做出了修改，可能就会影响到B，反之亦然
- 一旦A出现了BUG，也容易把B牵连到，反之亦然
然而在引入了消息队列之后：
- 站在A的视角，不知道B的存在，只关心和队列的交互
- 站在B的视角，不知道A的存在，只关心和队列的交互
- 此时，对A的修改就不太容易影响到B，A如果挂了，也不会影响到B，反之亦然
- 未来如果再引入C，也让A访问C，A不需要修改任何代码，直接让C从队列里读取数据即可，提升了程序的可扩展能力
1.2 生产者消费者模型削峰填谷
客户端发来的请求，个数多少，没办法提前预知，遇到某些突发情况，就可能会导致客户端给服务的请求激增
正常情况下，A收到一个客户端的请求，就同样要请求一次B，A收到的请求激增了，B的请求也会激增，但是由于A做的工作比较简单，消耗的资源少，B做的工作更复杂，消耗的资源多，一旦请求量大了，B就容易挂，所以引入消息队列
- 无论A给队列写的多快，B都可以按照固有的节奏来消费数据
- B的节奏，就不一定完全跟着A了，相当于队列把B保护起来了
- B要进行很多重量级操作，比如操作数据库之类的，要消耗很多系统资源花费一定的时间
- 消息队列没有什么业务逻辑，消耗的硬件资源少，本身就抗造，同时，实际开发中，部署消息队列的机器一般都会给配置比较高的机器/集群
引入消息队列来实现生产者消费者模型，效率是不如直接访问来得更快的，多了一次周转，也多了一次网络通信
2. 生产者消费者代码
java
package thread;
import java.util.concurrent.ArrayBlockingQueue;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
public class Demo29 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
BlockingQueue<String> queue = new ArrayBlockingQueue<>(100);
queue.put("A");
String elem = queue.take();
System.out.println("elem = " + elem);
elem = queue.take();
System.out.println("elem = " + elem);
}
}
java
package thread;
import java.util.concurrent.BlockingQueue;
import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue;
public class Demo30 {
public static void main(String[] args) {
BlockingQueue<Integer> queue = new LinkedBlockingQueue<>(1000);
Thread t1 = new Thread(() ->{
try {
while (true){
Integer value = queue.take();
System.out.println("t1 消费：" + value);
Thread.sleep(1000);
}
}catch (InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
});
Thread t2 = new Thread(() ->{
try {
int count = 1;
while (true){
queue.put(count);
System.out.println("t2 生产：" + count);
count++;
}
}catch (InterruptedException e){
e.printStackTrace();
}
});
t1.start();
t2.start();
}
}3. 阻塞队列实现
java
package thread;
class MyBlockingQueue {
private String[] elems = null;
//[head, tail)
//head位置指向的是第一个元素，tail指向的是最后一个元素的下一个元素
private volatile int head = 0;
private volatile int tail = 0;
private volatile int size = 0;
public MyBlockingQueue(int capacity){
elems = new String[capacity];
}
void put(String elem) throws InterruptedException {
synchronized (this) {
while (size >= elems.length){
//队列满了，进行队列阻塞
this.wait();
}
//把新的元素放到tail所在的位置上
elems[tail] = elem;
tail++;
if (tail >= elems.length) {
//到达末尾，就回到开头
tail = 0;
}
//更新size的值
size++;
//唤醒下面 take 阻塞的wait
this.notify();
}
}
String take() throws InterruptedException {
synchronized (this) {
while (size == 0) {
//队列空了，进行阻塞
this.wait();
}
//取出 head 指向的元素
String result = elems[head];
head++;
if (head >= elems.length) {
head = 0;
}
size--;
//take 成功一个元素，就唤醒上面put中的wait操作
this.notify();
return result;
}
}
}
public class Demo31 {
public static void main(String[] args) {
MyBlockingQueue queue = new MyBlockingQueue(1000);
Thread t1 = new Thread(() -> {
try {
int count = 1;
while (true) {
queue.put(count + "");
System.out.println("生产" + count);
count++;
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
try {
while (true){
String result = queue.take();
System.out.println("消费" + result);
Thread.sleep(1000);
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
t1.start();
t2.start();
}
}