Java 高并发七：并发设计模型详解

1. 什么是设计模式

在软件工程中，设计模式（design pattern）是对软件设计中普遍存在（反复出现）的各种问题 ，所提出的解决方案。这个术语是由埃里希·伽玛（erich gamma）等人在1990年代从建筑设计领 域引入到计算机科学的。

著名的4人帮： erich gamma，richard helm, ralph johnson ,john vlissides （gof）

《设计模式：可复用面向对象软件的基础》收录23种模式

2. 单例模式

单例对象的类必须保证只有一个实例存在。许多时候整个系统只需要拥有一个的全局对象，这样有利于我们协调系统整体的行为

比如：全局信息配置

单例模式最简单的实现：

public class singleton {
 private singleton() {
 system.out.println("singleton is create");
 }
 private static singleton instance = new singleton();
 public static singleton getinstance() {
 return instance;
 }
}

由私有构造方法和static来确定唯一性。

缺点：何时产生实例 不好控制

虽然我们知道，在类singleton第一次被加载的时候，就产生了一个实例。

但是如果这个类中有其他属性

public class singleton {
 public static int status=1; 
 private singleton() {
 system.out.println("singleton is create");
 }
 private static singleton instance = new singleton();
 public static singleton getinstance() {
 return instance;
 }
}

当使用

system.out.println(singleton.status);

这个实例就被产生了。也许此时你并不希望产生这个实例。

如果系统特别在意这个问题，这种单例的实现方法就不太好。

第二种单例模式的解决方式：

public class singleton {
 private singleton() {
 system.out.println("singleton is create");
 }
 private static singleton instance = null;
 public static synchronized singleton getinstance() {
 if (instance == null)
 instance = new singleton();
 return instance;
 }
}

让instance只有在调用getinstance()方式时被创建，并且通过synchronized来确保线程安全。
这样就控制了何时创建实例。

这种方法是延迟加载的典型。

但是有一个问题就是，在高并发的场景下性能会有影响，虽然只有一个判断就return了，但是在并发量很高的情况下，或多或少都会有点影响，因为都要去拿synchronized的锁。

为了高效，有了第三种方式：

public class staticsingleton {
 private staticsingleton(){ 
 system.out.println("staticsingleton is create");
 }
 private static class singletonholder {
 private static staticsingleton instance = new staticsingleton();
 }
 public static staticsingleton getinstance() {
 return singletonholder.instance;
 }
}

由于加载一个类时，其内部类不会被加载。这样保证了只有调用getinstance()时才会产生实例，控制了生成实例的时间，实现了延迟加载。

并且去掉了synchronized，让性能更优，用static来确保唯一性。

3. 不变模式

一个类的内部状态创建后，在整个生命期间都不会发生变化时，就是不变类

不变模式不需要同步

创建一个不变的类：

public final class product {
 // 确保无子类
 private final string no;
 // 私有属性，不会被其他对象获取
 private final string name;
 // final保证属性不会被2次赋值
 private final double price;

 public product(string no, string name, double price) {
 // 在创建对象时，必须指定数据
 super();
 // 因为创建之后，无法进行修改
 this.no = no;
 this.name = name;
 this.price = price;
 }

 public string getno() {
 return no;
 }

 public string getname() {
 return name;
 }

 public double getprice() {
 return price;
 }

}

java中不变的模式的案例有：

java.lang.string
java.lang.boolean
java.lang.byte
java.lang.character
java.lang.double
java.lang.float
java.lang.integer
java.lang.long
java.lang.short 

4. future模式

核心思想是异步调用

非异步：

异步：

第一次的call_return由于任务还没完成，所以返回的是一个空的。

但是这个返回类似于购物中的订单，将来可以根据这个订单来得到一个结果。

所以这个future模式意思就是，“未来”可以得到，就是指这个订单或者说是契约，“承诺”未来就会给结果。

future模式简单的实现：

调用者得到的是一个data，一开始可能是一个futuredata，因为realdata构建很慢。在未来的某个时间，可以通过futuredata来得到realdata。

代码实现：

public interface data { 
 public string getresult (); 
}
public class futuredata implements data { 
 protected realdata realdata = null; //futuredata是realdata的包装 
 protected boolean isready = false; 
 public synchronized void setrealdata(realdata realdata) { 
 if (isready) { 
 return; 
 } 
 this.realdata = realdata; 
 isready = true; 
 notifyall(); //realdata已经被注入，通知getresult() 
 } 
 public synchronized string getresult()//会等待realdata构造完成 
 { 
 while (!isready) { 
 try {  
 wait(); //一直等待，知道realdata被注入 
 } catch (interruptedexception e) { 
 } 
 } 
 return realdata.result; //由realdata实现 
 } 
}
public class realdata implements data {
 protected final string result;
 public realdata(string para) {
 // realdata的构造可能很慢，需要用户等待很久，这里使用sleep模拟
 stringbuffer sb = new stringbuffer();
 for (int i = 0; i < 10; i++) {
 sb.append(para);
 try {
 // 这里使用sleep，代替一个很慢的操作过程
 thread.sleep(100);
 } catch (interruptedexception e) {
 }
 }
 result = sb.tostring();
 }
 public string getresult() {
 return result;
 }
}
public class client { 
 public data request(final string querystr) { 
 final futuredata future = new futuredata(); 
 new thread() {
 public void run() 
 {
 // realdata的构建很慢， 
 //所以在单独的线程中进行 
 realdata realdata = new realdata(querystr);  
 future.setrealdata(realdata); 
 }    
 }.start(); 
 return future; // futuredata会被立即返回 
 } 
}
public static void main(string[] args) {
 client client = new client();
 // 这里会立即返回，因为得到的是futuredata而不是realdata
 data data = client.request("name");
 system.out.println("请求完毕");
 try {
 // 这里可以用一个sleep代替了对其他业务逻辑的处理
 // 在处理这些业务逻辑的过程中，realdata被创建，从而充分利用了等待时间
 thread.sleep(2000);
 } catch (interruptedexception e) {
 }
 // 使用真实的数据
 system.out.println("数据 = " + data.getresult());
 }

jdk中也有多future模式的支持：

接下来使用jdk提供的类和方法来实现刚刚的代码：

import java.util.concurrent.callable;

public class realdata implements callable<string> {
 private string para;

 public realdata(string para) {
 this.para = para;
 }

 @override
 public string call() throws exception {
 stringbuffer sb = new stringbuffer();
 for (int i = 0; i < 10; i++) {
 sb.append(para);
 try {
 thread.sleep(100);
 } catch (interruptedexception e) {

 }
 }
 return sb.tostring();
 }
}

import java.util.concurrent.executionexception;
import java.util.concurrent.executorservice;
import java.util.concurrent.executors;
import java.util.concurrent.futuretask;

public class futuremain {
 public static void main(string[] args) throws interruptedexception,
 executionexception {
 // 构造futuretask
 futuretask<string> future = new futuretask<string>(new realdata("a"));
 executorservice executor = executors.newfixedthreadpool(1);
 // 执行futuretask，相当于上例中的 client.request("a") 发送请求
 // 在这里开启线程进行realdata的call()执行
 executor.submit(future);
 system.out.println("请求完毕");
 try {
 // 这里依然可以做额外的数据操作，这里使用sleep代替其他业务逻辑的处理
 thread.sleep(2000);
 } catch (interruptedexception e) {
 }
 // 相当于data.getresult ()，取得call()方法的返回值
 // 如果此时call()方法没有执行完成，则依然会等待
 system.out.println("数据 = " + future.get());
 }
}

这里要注意的是futuretask是即具有 future功能又具有runnable功能的类。所以又可以运行，最后还能get。
当然如果在调用到future.get()时，真实数据还没准备好，仍然会产生阻塞状况，直到数据准备完成。

当然还有更加简便的方式：

import java.util.concurrent.executionexception;
import java.util.concurrent.executorservice;
import java.util.concurrent.executors;
import java.util.concurrent.future;

public class futuremain2 {
 public static void main(string[] args) throws interruptedexception,
 executionexception {
 executorservice executor = executors.newfixedthreadpool(1);
 // 执行futuretask，相当于上例中的 client.request("a") 发送请求
 // 在这里开启线程进行realdata的call()执行
 future<string> future = executor.submit(new realdata("a"));
 system.out.println("请求完毕");
 try {
 // 这里依然可以做额外的数据操作，这里使用sleep代替其他业务逻辑的处理
 thread.sleep(2000);
 } catch (interruptedexception e) {
 }
 // 相当于data.getresult ()，取得call()方法的返回值
 // 如果此时call()方法没有执行完成，则依然会等待
 system.out.println("数据 = " + future.get());
 }
}

由于callable是有返回值的，可以直接返回future对象。

5. 生产者消费者

生产者-消费者模式是一个经典的多线程设计模式。它为多线程间的协作提供了良好的解决方案。 在生产者-消费者模式中，通常由两类线程，即若干个生产者线程和若干个消费者线程。生产者线 程负责提交用户请求，消费者线程则负责具体处理生产者提交的任务。生产者和消费者之间则通 过共享内存缓冲区进行通信。

以前写过一篇用java来实现生产者消费者的多种方法，这里就不多阐述了。