多线程设计模式【线程安全、 Future 设计模式、Master-Worker 设计模式】(一)-全面详解（学习总结---从入门到深化）

拼搏现实的明天。 2023-10-13 16:48 23阅读 0赞

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**目录**

Single Thread Execution 设计模式

线程安全

Future 设计模式

Master-Worker 设计模式

生产者消费者设计模式

定义不可变对象的策略

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### Single Thread Execution 设计模式 ###

**机场过安检**

> Single Thread Execution 模式是指在同一时刻只能有一个线程去访问共享资源，就 像独木桥一样每次只允许一人通行，简单来说， Single Thread Execution 就是采用排 他式的操作保证在同一时刻只能有一个线程访问共享资源。 相信大家都有乘坐飞机的经历，在进入登机口之前必须经过安全检査，安检口类似于独木桥，每次只能通过一个人，工作人员除了检査你的登机牌以外，还要联网检查身份证信息以及是否携带危险物品，如下图所示。

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**非线程安全**

先模拟一个非线程安全的安检口类，旅客（线程）分别手持登机牌和身份证接受工作人 员的检查，示例代码如下所示。

package com.tong.chapter14;
    public class FlightSecurity {
        private int count = 0;
        private String boardingPass = "null";// 登机牌
        private String idCard = "null";// 身份证
        public void pass(String boardingPass, String idCard) {
                 this.boardingPass = boardingPass;
                 this.idCard = idCard;
                 this.count++;
                 check();
    }
        private void check() {
        // 简单的业务，当登机牌和身份证首位不相同时则表示检查不通过
        if (boardingPass.charAt(0) != idCard.charAt(0)) {
              throw new RuntimeException("-----Exception-----" + toString());
       }
    }
    @Override
    public String toString() {
               return "FlightSecurity{" + "count=" + count + ", boardingPass='" + boardingPass + '\'' + ", idCard='" + idCard + '\'' + '}';
        }
    }

> FlightSecurity 比较简单，提供了一个 pass 方法，将旅客的登机牌和身份证传递给 pass 方法，在 pass 方法中调用 check 方法对旅客进行检查，检查的逻辑也足够的简单， 只需要检测登机牌和身份证首位是否相等（当然这样在现实中非常不合理，但是为了使测试简单我们约定这么做），我们看以下代码所示的测试。

package com.tong.chapter14;
    public class FlightSecurityTest {
           static class Passengers extends Thread {
           // 机场安检类
           private final FlightSecurity flightSecurity;
           // 旅客身份证
           private final String idCard;
           // 旅客登机牌
           private final String boardingPass;
           public Passengers(FlightSecurity flightSecurity, String idCard, String boardingPass) {
           this.flightSecurity = flightSecurity;
           this.idCard = idCard;
           this.boardingPass = boardingPass;
    }
    @Override
    public void run() {
       while (true) {
             // 旅客不断地过安检
             flightSecurity.pass(boardingPass, idCard);
           }
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
          // 定义三个旅客，身份证和登机牌首位均相同
           final FlightSecurity flightsecurity = new FlightSecurity();
           new Passengers(flightsecurity, "Al23456", "AF123456").start();
           new Passengers(flightsecurity, "B123456", "BF123456").start();
           new Passengers(flightsecurity, "C123456", "CF123456").start();
        }
    }

> 看起来每一个客户都是合法的，因为每一个客户的身份证和登机牌首字母都一样，运行 上面的程序却出现了错误，而且错误的情况还不太一样，运行多次，发现了两种类型的错误信息，程序输出如下：

java.lang.RuntimeException: -----Exception-----FlightSecurity{count=218,boardingPass='AF123456', idCard='B123456'}
    java.lang.RuntimeException: -----Exception-----FlightSecurity{count=676,boardingPass='BF123456',

> 首字母相同检查不能通过和首字母不相同检查不能通过，为什么会出现这样的情况呢？ 首字母相同却不能通过？更加奇怪的是传入的参数明明全都是首字母相同的，为什么会出现首字母不相同的错误呢。

**问题分析**

**首字母相同却未通过检查**

> 1)线程 A 调用 pass 方法，传人”A123456”“AF123456”并且对 idcard 赋值成功，由 于 CPU 调度器时间片的轮转，CPU 的执行权归 B 线程所有。
> 
> 2) 线程 B 调用 pass 方法，传入”B123456”“BF123456”并且对 idcard 赋值成功， 覆盖 A 线程赋值的 idCard。
> 
> 3)线程 A 重新获得 CPU 的执行权，将 boardingPass 赋于 AF123456,因此 check 无 法通过。
> 
> 4)在输出 toString 之前，B 线程成功将 boardingPass 覆盖为 BF123456。

**为何出现首字母不相同的情况**

> 1)线程 A 调用 pass 方法，传入”A123456”“AF123456”并且对 id Card 赋值成功，由 于 CPU 调度器时间片的轮转，CPU 的执行权归 B 线程所有。
> 
> 2)线程 B 调用 pass 方法，传入”B123456”“BF123456”并且对 id Card 赋值成功，覆 盖 A 线程赋值的 idCard。
> 
> 3)线程 A 重新获得 CPU 的执行权，将 boardingPass 赋于 AF123456,因此 check 无 法通过。
> 
> 4)线程 A 检查不通过，输出 idcard=”A123456”和 boardingPass=”BF123456”。

###  ###

### 线程安全 ###

> 上面出现的问题说到底就是数据同步的问题，虽然线程传递给 pass 方法的两个参数能 够百分之百地保证首字母相同，可是在为 FlightSecurity 中的属性赋值的时候会出现多个线程交错的情况，结合我们之前所讲内容可知，需要对共享资源增加同步保护，改进代码如下。

public synchronized void pass(String boardingPass, String idCard) {
           this.boardingPass = boardingPass;
           this.idCard = idCard;
           this.count++;
           check();
    }

> 修改后的 pass 方法，无论运行多久都不会再出现检查出错的情况了，为什么只在 pas 方法增加 synchronized 关键字， check 以及 toString 方法都有对共享资源的访问，难道它们不加同步就不会引起错误么？由于 check 方法是在 pass 方法中执行的，pass 方法加同步已经保证了 single thread execution，因此 check 方法不需要增加同步， toString 方法原因与此相同。

何时适合使用 single thread execution 模式呢？答案如下。

> A. 多线程访问资源的时候，被 synchronized 同步的方法总是排他性的。
> 
> B. 多个线程对某个类的状态发生改变的时候，比如 Flightsecurity 的登机牌以及身 份证。

> 在 Java 中经常会听到线程安全的类和线程非安全的类，所谓线程安全的类是指多个线 程在对某个类的实例同时进行操作时，不会引起数据不一致的问题，反之则是线程非安全的类，在线程安全的类中经常会看到 synchronized 关键字的身影

### Future 设计模式 ###

> Future 模式有点类似于商品订单。比如在网购时，当看重某一件商品事，就可以提交 订单，当订单处理完成后，在家里等待商品送货上门即可。或者说更形象的我们发送 Ajax 请求的时候，页面是异步的进行后台处理，用户无须一直等待请求的结果，可以继续浏览或 操作其他内容。

![a165acab288e49148ebd3d8b98e74c92.png][]

### Master-Worker 设计模式 ###

> Master- Worker 模式是常用的并行计算模式。它的核心思想是系统由两类进程协作工 作： Master 进程和 Worker 进程。 Master 负责接收和分配任务，Worker 负责处理子任 务。当各个 Worker-子进程处理完成后，会将结果返回给 Master，由 Master 做归纳和总 结。其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。

![189ce00238ef4fb0b953044e16bae2c1.png][]

具体代码实现逻辑图如下：

![5311e41181524b6c8a5460301490f180.png][]

### 生产者消费者设计模式 ###

> 生产者和消费者也是一个非常经典的多线程模式，我们在实际开发中应用非常广泛的思 想理念。在生产消费模式中：通常由两类线程，即若干个生产者的线程和若干个消费者的线程。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，在生产者和消费者之间通过共享内存缓存区进行通信。

![216effa6b4b448f5a6e4db06eb364df3.png][]

**具体代码逻辑实现思路：**

![6acc750d9f8a4f339df6fe1e87770353.png][]

Immutable 不可变对象设计模式

不可变对象一定是线程安全的。

**关于时间日期 API 线程不安全的问题**

> 想必大家对 SimpleDateFormat 并不陌生。SimpleDateFormat 是 Java 中一个非常 常用的类，该类用来对日期字符串进行解析和格式化输出，但如果使用不小心会导致非常微 妙和难以调试的问题，因为 DateFormat 和 SimpleDateFormat 类不都是线程安全的， 在多线程环境下调用 format() 和 parse() 方法应该使用同步代码来避免问题。关于时间日期 API 的线程不安全问题直到 JDK8 出现以后才得到解决。

关于线程不安全的代码示例如下：

package com.tong.chapter18.demo01;
    import java.text.SimpleDateFormat;
    import java.util.ArrayList;
    import java.util.Date;
    import java.util.List;
    import java.util.concurrent.*;
    public class SimpleDateFormatThreadUnsafe {
    public static void main(String[] args) throws ExecutionException,
    InterruptedException {
          // 初始化时间日期 API
          SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyyMMdd");
          // 创建任务线程，执行任务将字符串转成指定格式日期
          Callable<Date> task = () -> sdf.parse("20200808");
          // 创建线程池，数量为 10
          ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);
          // 构建结果集
          List<Future<Date>> results = new ArrayList<>();
          // 开始执行任务线程，将结果添加至结果集
          for (int i = 0; i < 10; i++) {
                 results.add(pool.submit(task));
           }
          // 打印结果集中的内容
          // 在任务线程执行过程中并且访问结果集内容就会报错
          for (Future<Date> future : results) {
                 System.out.println(future.get());
         }
          // 关闭线程池
            pool.shutdown();
        }
    }

运行结果如下：

![f8383bb4016c461a89d7cb332ca6bfbe.png][]

我们先自己来解决一下这个问题，线程不安全，我给它放到 ThreadLocal 中是否可行呢？

package com.tong.chapter18.demo01;
    import java.text.DateFormat;
    import java.text.ParseException;
    import java.text.SimpleDateFormat;
    import java.util.Date;
    /**
    * 将每次需要格式转换的参数都放入 ThreadLocal 中进行
    */
    public class DateFormatThreadLocal {
          private static final ThreadLocal<DateFormat> df = ThreadLocal.withInitial(() -> new SimpleDateFormat("yyyyMMdd"));
          public static Date convert(String source) throws ParseException {
             return df.get().parse(source);
        }
    }

然后格式化日期代码如下：

package com.tong.chapter18.demo01;
    import java.text.SimpleDateFormat;
    import java.util.ArrayList;
    import java.util.Date;
    import java.util.List;
    import java.util.concurrent.*;
    public class SimpleDateFormatThreadSafe {
         public static void main(String[] args) throws ExecutionException,InterruptedException {
            // 初始化时间日期 API
            SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyyMMdd");
            // 创建任务线程，执行任务将字符串转成指定格式日期
            //Callable<Date> task = () -> sdf.parse("20191020");
            // 使用 ThreadLocal 处理非线程安全
            Callable<Date> task = () -> DateFormatThreadLocal.convert("20191020");
            // 创建线程池，数量为 10
             ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);
            // 构建结果集
             List<Future<Date>> results = new ArrayList<>();
            // 开始执行任务线程，将结果添加至结果集
             for (int i = 0; i < 10; i++) {
                   results.add(pool.submit(task));
              }
            // 打印结果集中的内容
            // 在任务线程执行过程中并且访问结果集内容就会报错
             for (Future<Date> future : results) {
                   System.out.println(future.get());
              }
             // 关闭线程池
             pool.shutdown();
        }
    }

上面的程序不管运行多少次都不会再出现线程不安全的问题。

### 定义不可变对象的策略 ###

如何定义不可变对象呢？官方文档描述如下：

![f4cd82c7dca741d6b97a3d1b609940ae.png][]

参考官网文档后设计一个不可变对象，如下：

package com.tong.chapter18.demo02;
    public final class Person {
           private final String name;
           private final String address;
    
           public Person(final String name, final String address) {
                this.name = name;
                this.address = address;
            }
    
           public String getName() {
                 return name;
            }
    
           public String getAddress() 
                return address;
            }
    @Override
    public String toString() {
           return "Person{" + "name='" + name + '\'' + ", address='" + address + '\'' + '}';
      }
    }

##  ##

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