Day856.多线程设计模式一些列问题 -Java 并发编程实战

Posted 2023-01-18 阿昌喜欢吃黄桃

多线程设计模式一些列问题

Hi，我是阿昌，今天学习记录的是关于多线程设计模式一些列问题的内容。

多线程设计模式 是前人解决并发问题的经验总结，当试图解决一个并发问题时，首选方案往往是使用匹配的设计模式，这样能避免走弯路。

同时，由于都熟悉设计模式，所以使用设计模式还能提升方案和代码的可理解性。

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一、避免共享的设计模式

Immutability 模式、Copy-on-Write 模式和线程本地存储模式本质上都是为了避免共享，只是实现手段不同而已。这 3 种设计模式的实现都很简单，但是实现过程中有些细节还是需要格外注意的。

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• 使用 Immutability 模式需要注意对象属性的不可变性
• 使用 Copy-on-Write 模式需要注意性能问题
• 使用线程本地存储模式需要注意异步执行问题

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Immutability 模式 的思考题是讨论 Account 这个类是不是具备不可变性。

这个类初看上去属于不可变对象的中规中矩实现，而实质上这个实现是有问题的，原因在于 StringBuffer 不同于 String，StringBuffer 不具备不可变性，通过 getUser() 方法获取 user 之后，是可以修改 user 的。

一个简单的解决方案是让 getUser() 方法返回 String 对象。

public final class Account
  private final 
    StringBuffer user;
  public Account(String user)
    this.user = 
      new StringBuffer(user);
  
  //返回的StringBuffer并不具备不可变性
  public StringBuffer getUser()
    return this.user;
  
  public String toString()
    return "user"+user;
  

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Copy-on-Write 模式的思考题是讨论 Java SDK 中为什么没有提供 CopyOnWriteLinkedList。

这是一个开放性的问题，没有标准答案，但是性能问题一定是其中一个很重要的原因，毕竟完整地复制 LinkedList 性能开销太大了。

数组存储在连续内存,连续内存更有利于CPU加载和缓存,特点是增删慢,读取快;

链表数据结构存储在分散内存,特点是增删快,读取慢; 链表结构的设计初衷就是用于增删频繁,读取少的场景;

CopyOnWrite使用场景:要求读取性能高,读取多,修改少; 二者设计理念相违背,所以存在CopyOnWriteArrayList,而不存在CopyOnWriteLinkedList

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线程本地存储模式的思考题是在异步场景中，是否可以使用 Spring 的事务管理器。答案显然是不能的，Spring 使用 ThreadLocal 来传递事务信息，因此这个事务信息是不能跨线程共享的。

实际工作中有很多类库都是用 ThreadLocal 传递上下文信息的，这种场景下如果有异步操作，一定要注意上下文信息是不能跨线程共享的。

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二、多线程版本 IF 的设计模式

Guarded Suspension 模式和 Balking 模式都可以简单地理解为“多线程版本的 if”，但它们的区别在于前者会等待 if 条件变为真，而后者则不需要等待。

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Guarded Suspension 模式的经典实现是使用管程，很多初学者会简单地用线程 sleep 的方式实现，比如Guarded Suspension 模式的思考题就是用线程 sleep 方式实现的。

但不推荐你使用这种方式，最重要的原因是性能，如果 sleep 的时间太长，会影响响应时间；sleep 的时间太短，会导致线程频繁地被唤醒，消耗系统资源。

同时，示例代码的实现也有问题：由于 obj 不是 volatile 变量，所以即便 obj 被设置了正确的值，执行 while(!p.test(obj)) 的线程也有可能看不到，从而导致更长时间的 sleep。

//获取受保护对象  
T get(Predicate<T> p) 
  try 
    //obj的可见性无法保证
    while(!p.test(obj))
      TimeUnit.SECONDS
        .sleep(timeout);
    
  catch(InterruptedException e)
    throw new RuntimeException(e);
  
  //返回非空的受保护对象
  return obj;

//事件通知方法
void onChanged(T obj) 
  this.obj = obj;

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实现 Balking 模式最容易忽视的就是竞态条件问题。

Balking 模式的思考题就存在竞态条件问题。

因此，在多线程场景中使用 if 语句时，一定要多问自己一遍：是否存在竞态条件。

class Test
  volatile boolean inited = false;
  int count = 0;
  void init()
    //存在竞态条件
    if(inited)
      return;
    
    //有可能多个线程执行到这里
    inited = true;
    //计算count的值
    count = calc();
  
  

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三、三种最简单的分工模式

Thread-Per-Message 模式、Worker Thread 模式和生产者 - 消费者模式是三种最简单实用的多线程分工方法。

虽说简单，但也还是有许多细节需要你多加小心和注意。

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Thread-Per-Message 模式 在实现的时候需要注意是否存在线程的频繁创建、销毁以及是否可能导致 OOM。Thread-Per-Message 模式的思考题就是关于如何快速解决 OOM 问题的。在高并发场景中，最简单的办法其实是限流。

当然，限流方案也并不局限于解决 Thread-Per-Message 模式中的 OOM 问题。

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Worker Thread 模式的实现，需要注意潜在的线程死锁问题。Worker Thread 模式的思考题中的示例代码就存在线程死锁。注意线程池之间的隔离问题

“工厂里只有一个工人，他的工作就是同步地等待工厂里其他人给他提供东西，然而并没有其他人，他将等到天荒地老，海枯石烂！”因此，共享线程池虽然能够提供线程池的使用效率，但一定要保证一个前提，那就是：任务之间没有依赖关系。

ExecutorService pool = Executors
  .newSingleThreadExecutor();
//提交主任务
pool.submit(() -> 
  try 
    //提交子任务并等待其完成，
    //会导致线程死锁
    String qq=pool.submit(()->"QQ").get();
    System.out.println(qq);
   catch (Exception e) 
  
);

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Java 线程池本身就是一种生产者 - 消费者模式的实现，所以大部分场景你都不需要自己实现，直接使用 Java 的线程池就可以了。

但若能自己灵活地实现生产者 - 消费者模式会更好，比如可以实现批量执行和分阶段提交，不过这过程中还需要注意如何优雅地终止线程，生产者 - 消费者模式的思考题就是关于此的。

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如何优雅地终止线程？两阶段终止模式是一种通用的解决方案。但其实终止生产者 - 消费者服务还有一种更简单的方案，叫做“毒丸”对象。

《Java 并发编程实战》第 7 章的 7.2.3 节对“毒丸”对象有过详细的介绍。简单来讲，“毒丸”对象是生产者生产的一条特殊任务，然后当消费者线程读到“毒丸”对象时，会立即终止自身的执行。

下面是用“毒丸”对象终止写日志线程的具体实现，整体的实现过程还是很简单的：类 Logger 中声明了一个“毒丸”对象 poisonPill ，当消费者线程从阻塞队列 bq 中取出一条 LogMsg 后，先判断是否是“毒丸”对象，如果是，则 break while 循环，从而终止自己的执行。

class Logger 
  //用于终止日志执行的“毒丸”
  final LogMsg poisonPill = new LogMsg(LEVEL.ERROR, "");
  //任务队列  
  final BlockingQueue<LogMsg> bq = new BlockingQueue<>();
  //只需要一个线程写日志
  ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(1);
  //启动写日志线程
  void start()
    File file=File.createTempFile("foo", ".log");
    final FileWriter writer= new FileWriter(file);
    this.es.execute(()->
      try 
        while (true) 
          LogMsg log = bq.poll(
            5, TimeUnit.SECONDS);
          //如果是“毒丸”，终止执行  
          if(poisonPill.equals(logMsg))
            break;
            
          //省略执行逻辑
        
       catch(Exception e)
       finally 
        try 
          writer.flush();
          writer.close();
        catch(IOException e)
      
    );  
  
  //终止写日志线程
  public void stop() 
    //将“毒丸”对象加入阻塞队列
    bq.add(poisonPill);
    es.shutdown();
  

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