【多线程高并发】多线程的设计模式

- 日理万妓 2022-02-26 06:54 348阅读 0赞

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关键字：：多线程设计模式，Future模式，Master-Worker模式，生产者-消费者模型   
github 地址： https://github.com/zhaikaishun/concurrent\_programming   
本篇文章代码在Multi\_004 中

多线程的设计模式  
代码在Multi\_004当中   
并行设计模式属于设计优化的一部分，他是对一些常用的多线程结构的总结和抽象，与串行程序相比，并行程序的结构通常更为复杂，因此合理的使用并行模式在多线程开发中更具有意义，在这里主要介绍Future, Master-Worker和生产者-消费者模型。

Future模式  
Future模式类似于异步请求   
Future模式Java实现举例(其实JDK自带有实现，这里我先用java来实现)   
代码在： com.kaishun.height.design014 中

main方法

public class Main \{

public static void main(String\[\] args) throws InterruptedException \{

FutureClient fc = new FutureClient();  
        Data data = fc.request("请求参数");  
        System.out.println("请求发送成功!");  
        System.out.println("做其他的事情...");

String result = data.getRequest();  
        System.out.println(result);

\}  
\}  
  
FutureClient类 先返回一个futureData对象，不让主方法阻塞，然后再让这个引用去得到耗时的操作的结果

public class FutureClient \{

public Data request(final String queryStr)\{  
        //1 我想要一个代理对象（Data接口的实现类）先返回给发送请求的客户端，告诉他请求已经接收到，可以做其他的事情  
        final FutureData futureData = new FutureData();  
        //2 启动一个新的线程，去加载真实的数据，传递给这个代理对象  
        new Thread(new Runnable() \{  
            @Override  
            public void run() \{  
                //3 这个新的线程可以去慢慢的加载真实对象，然后传递给代理对象  
                RealData realData = new RealData(queryStr);  
                futureData.setRealData(realData);  
            \}  
        \}).start();

return futureData;  
    \}

\}  
  
RealData类，构造方法是一个耗时的类的操作

public class RealData implements Data\{

private String result ;

public RealData (String queryStr)\{  
        System.out.println("根据'" + queryStr + "'进行查询，这是一个很耗时的操作..");  
        try \{  
            Thread.sleep(5000);  
        \} catch (InterruptedException e) \{  
            e.printStackTrace();  
        \}  
        System.out.println("操作完毕，获取结果");  
        result = "'查询结果'";  
    \}

@Override  
    public String getRequest() \{  
        return result;  
    \}

\}  
  
FutureData类 setRealData(RealData realData)和getRequest()加了同步代码块synchronized, 线程之间通过wait/notify进行通信

public class FutureData implements Data\{

private RealData realData ;

private boolean isReady = false;

public synchronized void setRealData(RealData realData) \{  
        //如果已经装载完毕了，就直接返回  
        if(isReady)\{  
            return;  
        \}  
        //如果没装载，进行装载真实对象  
        this.realData = realData;  
        isReady = true;  
        //进行通知  
        notify();  
    \}

@Override  
    public synchronized String getRequest() \{  
        //如果没装载好 程序就一直处于阻塞状态  
        while(!isReady)\{  
            try \{  
                wait();  
            \} catch (InterruptedException e) \{  
                e.printStackTrace();  
            \}  
        \}  
        //装载好直接获取数据即可  
        return this.realData.getRequest();  
    \}

\}  
  
最终输出

请求发送成功!  
做其他的事情...  
根据'请求参数'进行查询，这是一个很耗时的操作..  
操作完毕，获取结果  
'查询结果'  
  
Master-Worker模式  
Master-Worker模式是常用的并行计算模式。他的核心思想是系统由两类进程协作工作：Master进程和Worker进程.Maseter负责接收和分配任务, Worker负责处理子任务。当各个Worker子进行处理完成后，会将结果返回给Master，由Msster做归纳总结，好处是能将一个大任务分解成若干个小任务，并行执行，从而提高系统的吞吐量   
   
举例com.kaishun.height.design015

Task任务类

public class Task \{

private int id;  
    private int price ;  
    public int getId() \{  
        return id;  
    \}  
    public void setId(int id) \{  
        this.id = id;  
    \}  
    public int getPrice() \{  
        return price;  
    \}  
    public void setPrice(int price) \{  
        this.price = price;  
    \}

\}  
  
Master类

//1 有一个盛放任务的容器  
    private ConcurrentLinkedQueue<Task> workQueue = new ConcurrentLinkedQueue<Task>();

//2 需要有一个盛放worker的集合  
    private HashMap<String, Thread> workers = new HashMap<String, Thread>();

//3 需要有一个盛放每一个worker执行任务的结果集合  
    private ConcurrentHashMap<String, Object> resultMap = new ConcurrentHashMap<String, Object>();

//4 构造方法  
    public Master(Worker worker , int workerCount)\{  
        worker.setWorkQueue(this.workQueue);  
        worker.setResultMap(this.resultMap);

for(int i = 0; i < workerCount; i ++)\{  
            this.workers.put(Integer.toString(i), new Thread(worker));  
        \}

//5 需要一个提交任务的方法  
    public void submit(Task task)\{  
        this.workQueue.add(task);  
    \}

//6 需要有一个执行的方法，启动所有的worker方法去执行任务  
    public void execute()\{  
        for(Map.Entry<String, Thread> me : workers.entrySet())\{  
            me.getValue().start();  
        \}  
    \}

//7 判断是否运行结束的方法  
    public boolean isComplete() \{  
        for(Map.Entry<String, Thread> me : workers.entrySet())\{  
            if(me.getValue().getState() != Thread.State.TERMINATED)\{  
                return false;  
            \}  
        \}         
        return true;  
    \}

//8 计算结果方法  
    public int getResult() \{  
        int priceResult = 0;  
        for(Map.Entry<String, Object> me : resultMap.entrySet())\{  
            priceResult += (Integer)me.getValue();  
        \}  
        return priceResult;  
    \}

\}  
  
Work类

public class Worker implements Runnable \{

private ConcurrentLinkedQueue<Task> workQueue;  
    private ConcurrentHashMap<String, Object> resultMap;

public void setWorkQueue(ConcurrentLinkedQueue<Task> workQueue) \{  
        this.workQueue = workQueue;  
    \}

public void setResultMap(ConcurrentHashMap<String, Object> resultMap) \{  
        this.resultMap = resultMap;  
    \}

@Override  
    public void run() \{  
        while(true)\{  
            Task input = this.workQueue.poll();  
            if(input == null) break;  
            Object output = handle(input);  
            this.resultMap.put(Integer.toString(input.getId()), output);  
        \}  
    \}

private Object handle(Task input) \{  
        Object output = null;  
        try \{  
            //处理任务的耗时。。 比如说进行操作数据库。。。  
            Thread.sleep(500);  
            output = input.getPrice();  
        \} catch (InterruptedException e) \{  
            e.printStackTrace();  
        \}  
        return output;  
    \}  
\}  
  
Main方法

public class Main \{

public static void main(String\[\] args) \{

Master master = new Master(new Worker(), 20);

Random r = new Random();  
        // 100 个任务  
        for(int i = 1; i <= 100; i++)\{  
            Task t = new Task();  
            t.setId(i);  
            t.setPrice(r.nextInt(1000));  
            master.submit(t);  
        \}

master.execute();  
        long start = System.currentTimeMillis();

while(true)\{  
            if(master.isComplete())\{  
                long end = System.currentTimeMillis() - start;  
                int priceResult = master.getResult();  
                System.out.println("最终结果：" + priceResult + ", 执行时间：" + end);  
                break;  
            \}  
        \}

\}  
\}  
  
最终输出结果

最终结果：48098, 执行时间：2500  
1  
1.4 生产者-消费者模式  
生产者和消费者也是一个非常经典的多线程模式，我们在实际中开发应用非常广泛的思想理念。在生产-消费模式中:通常由两类线程，即若干个生产者和若干个消费者的线程。生产者负责提交用户数据，消费者负责具体处理生产者提交的任务，在生产者和消费者之间通过共享内存缓存区进行通信。

示例：   
现在就来模拟一下上面的图示   
main方法

public class Main \{

public static void main(String\[\] args) throws Exception \{  
        //内存缓冲区  
        BlockingQueue<Data> queue = new LinkedBlockingQueue<Data>(10);  
        //生产者  
        Provider p1 = new Provider(queue);  
        Provider p2 = new Provider(queue);  
        Provider p3 = new Provider(queue);  
        //消费者  
        Consumer c1 = new Consumer(queue);  
        Consumer c2 = new Consumer(queue);  
        Consumer c3 = new Consumer(queue);  
        //创建线程池运行,这是一个缓存的线程池，可以创建无穷大的线程，没有任务的时候不创建线程。空闲线程存活时间为60s（默认值）

ExecutorService cachePool = Executors.newCachedThreadPool();  
        cachePool.execute(p1);  
        cachePool.execute(p2);  
        cachePool.execute(p3);  
        cachePool.execute(c1);  
        cachePool.execute(c2);  
        cachePool.execute(c3);

try \{  
            Thread.sleep(3000);  
        \} catch (InterruptedException e) \{  
            e.printStackTrace();  
        \}  
        p1.stop();  
        p2.stop();  
        p3.stop();  
        try \{  
            Thread.sleep(2000);  
        \} catch (InterruptedException e) \{  
            e.printStackTrace();  
        \}         
//      cachePool.shutdown();   
//      cachePool.shutdownNow();

\}  
  
Provider

public class Provider implements Runnable\{

//共享缓存区  
    private BlockingQueue<Data> queue;  
    //多线程间是否启动变量，有强制从主内存中刷新的功能。即时返回线程的状态  
    private volatile boolean isRunning = true;  
    //id生成器  
    private static AtomicInteger count = new AtomicInteger();  
    //随机对象  
    private static Random r = new Random();

public Provider(BlockingQueue queue)\{  
        this.queue = queue;  
    \}

@Override  
    public void run() \{  
        while(isRunning)\{  
            try \{  
                //随机休眠0 - 1000 毫秒 表示获取数据(产生数据的耗时)   
                Thread.sleep(r.nextInt(1000));  
                //获取的数据进行累计...  
                int id = count.incrementAndGet();  
                //比如通过一个getData方法获取了  
                Data data = new Data(Integer.toString(id), "数据" + id);  
                System.out.println("当前线程:" + Thread.currentThread().getName() + ", 获取了数据，id为:" + id + ", 进行装载到公共缓冲区中...");  
                if(!this.queue.offer(data, 2, TimeUnit.SECONDS))\{  
                    System.out.println("提交缓冲区数据失败....");  
                    //do something... 比如重新提交  
                \}  
            \} catch (InterruptedException e) \{  
                e.printStackTrace();  
            \}  
        \}  
    \}

public void stop()\{  
        this.isRunning = false;  
    \}

\}  
  
Consumer

public class Consumer implements Runnable\{

private BlockingQueue<Data> queue;

public Consumer(BlockingQueue queue)\{  
        this.queue = queue;  
    \}

//随机对象  
    private static Random r = new Random();

@Override  
    public void run() \{  
        while(true)\{  
            try \{  
                //获取数据  
                Data data = this.queue.take();  
                //进行数据处理。休眠0 - 1000毫秒模拟耗时  
                Thread.sleep(r.nextInt(1000));  
                System.out.println("当前消费线程：" + Thread.currentThread().getName() + "， 消费成功，消费数据为id: " + data.getId());  
            \} catch (InterruptedException e) \{  
                e.printStackTrace();  
            \}  
        \}  
    \}  
\}  
  
Data类

public final class Data \{

private String id;  
    private String name;

public Data(String id, String name)\{  
        this.id = id;  
        this.name = name;  
    \}

public String getId() \{  
        return id;  
    \}

public void setId(String id) \{  
        this.id = id;  
    \}

public String getName() \{  
        return name;  
    \}

public void setName(String name) \{  
        this.name = name;  
    \}

@Override  
    public String toString()\{  
        return "\{id: " + id + ", name: " + name + "\}";  
    \}

\}  
  
输出

当前线程:pool-1-thread-2, 获取了数据，id为:1, 进行装载到公共缓冲区中...  
当前消费线程：pool-1-thread-5， 消费成功，消费数据为id: 1  
当前线程:pool-1-thread-3, 获取了数据，id为:2, 进行装载到公共缓冲区中...  
当前线程:pool-1-thread-2, 获取了数据，id为:3, 进行装载到公共缓冲区中...  
当前消费线程：pool-1-thread-6， 消费成功，消费数据为id: 2  
当前线程:pool-1-thread-1, 获取了数据，id为:4, 进行装载到公共缓冲区中...  
当前线程:pool-1-thread-2, 获取了数据，id为:5, 进行装载到公共缓冲区中...  
当前消费线程：pool-1-thread-5， 消费成功，消费数据为id: 4  
当前消费线程：pool-1-thread-4， 消费成功，消费数据为id: 3  
当前线程:pool-1-thread-1, 获取了数据，id为:6, 进行装载到公共缓冲区中...  
当前线程:pool-1-thread-3, 获取了数据，id为:7, 进行装载到公共缓冲区中...  
当前消费线程：pool-1-thread-6， 消费成功，消费数据为id: 5  
当前消费线程：pool-1-thread-4， 消费成功，消费数据为id: 7  
当前线程:pool-1-thread-2, 获取了数据，id为:8, 进行装载到公共缓冲区中...  
当前线程:pool-1-thread-2, 获取了数据，id为:9, 进行装载到公共缓冲区中...  
当前线程:pool-1-thread-1, 获取了数据，id为:10, 进行装载到公共缓冲区中...  
当前消费线程：pool-1-thread-5， 消费成功，消费数据为id: 6  
当前线程:pool-1-thread-3, 获取了数据，id为:11, 进行装载到公共缓冲区中...  
当前线程:pool-1-thread-1, 获取了数据，id为:12, 进行装载到公共缓冲区中...  
当前消费线程：pool-1-thread-5， 消费成功，消费数据为id: 10  
当前消费线程：pool-1-thread-6， 消费成功，消费数据为id: 8  
当前线程:pool-1-thread-1, 获取了数据，id为:13, 进行装载到公共缓冲区中...  
当前线程:pool-1-thread-3, 获取了数据，id为:14, 进行装载到公共缓冲区中...  
当前消费线程：pool-1-thread-6， 消费成功，消费数据为id: 12  
当前线程:pool-1-thread-1, 获取了数据，id为:15, 进行装载到公共缓冲区中...  
当前消费线程：pool-1-thread-4， 消费成功，消费数据为id: 9  
当前线程:pool-1-thread-2, 获取了数据，id为:16, 进行装载到公共缓冲区中...  
当前消费线程：pool-1-thread-6， 消费成功，消费数据为id: 13  
当前消费线程：pool-1-thread-5， 消费成功，消费数据为id: 11  
当前线程:pool-1-thread-3, 获取了数据，id为:17, 进行装载到公共缓冲区中...  
当前消费线程：pool-1-thread-6， 消费成功，消费数据为id: 15  
当前消费线程：pool-1-thread-4， 消费成功，消费数据为id: 14  
当前线程:pool-1-thread-2, 获取了数据，id为:18, 进行装载到公共缓冲区中...  
当前线程:pool-1-thread-1, 获取了数据，id为:19, 进行装载到公共缓冲区中...  
当前消费线程：pool-1-thread-5， 消费成功，消费数据为id: 16  
当前消费线程：pool-1-thread-6， 消费成功，消费数据为id: 17  
当前消费线程：pool-1-thread-5， 消费成功，消费数据为id: 19  
当前消费线程：pool-1-thread-4， 消费成功，消费数据为id: 18  
  
原文：https://blog.csdn.net/T1DMzks/article/details/78359842

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