JavaEE初阶-多线程4

炙热的大叔2024-05-12 10:26

文章目录

  • 一、单例模式
    • [1.1 饿汉模式](#1.1 饿汉模式)
    • [1.2 懒汉模式](#1.2 懒汉模式)
  • 二、阻塞队列
    • [1.1 生产者消费者模型](#1.1 生产者消费者模型)
      • [1.1.1 现实生活举例](#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 生产者消费模型的两个优势)
        • [1.1.2.1 解耦合](#1.1.2.1 解耦合)
        • [1.1.2.2 削峰填谷](#1.1.2.2 削峰填谷)
    • [1.2 阻塞队列代码](#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](#1.2.1 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](#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：

java 复制代码 
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：

java 复制代码 
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。

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：

java 复制代码 
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：

java 复制代码 
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。

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

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

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。

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。


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：

java 复制代码 
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：

1.2.2 实现自己的阻塞队列

代码如下：

java 复制代码 
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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