Java多線程(單例模式,阻塞隊列,定時器,線程池)詳解
更新時間：2022年09月22日 08:22:33 作者：愛干飯的猿
本文是多線程初級入門，主要介紹了多線程單例模式、阻塞隊列、定時器、線程池、多線程面試考點,感興趣的小伙伴可以跟隨小編一起了解一下
1. 單例模式（singleton pattern）
單例模式是通過代碼，保護一個類，使得類在整個進程（應用）運行過程中有且只有一個。
常用在配置對象、控制類。
設計模式(design pattern)：對一些解決通用問題的、經常書寫得代碼片段的總結與歸納。
1.1 懶漢模式
一開始就初始化
public class StarvingMode {
// 是線程安全的
// 類加載的時候執(zhí)行
// JVM 保證了類加載的過程是線程安全的
private static StarvingMode instance = new StarvingMode();
public static StarvingMode getInstance() {
return instance;
}
// 將構造方法私有化，防止其他線程new
private StarvingMode() {}
}
1.2 餓漢模式
等到用的時候在進行初始化
a. 餓漢模式-單線程版
類加載的時候不創(chuàng)建實例，第一次使用的時候才創(chuàng)建實例
public class LazyModeV1 {
private static LazyModeV1 instance = null;
public static LazyModeV1 getInstance(){
// 第一次調用這個方法時，說明我們應該實例化對象了
// 原子性
if (instance == null) {
instance = new LazyModeV1(); // 只在第一次的時候執(zhí)行
}
return instance;
}
// 將構造方法私有化，防止其他線程new
private LazyModeV1(){};
}
但是如果在多個線程中同時調用 getInstance 方法, 就可能導致創(chuàng) 建出多個實例，一旦實例已經創(chuàng)建好了, 后面再多線程環(huán)境調用 getInstance 就不再有線程安全問題了(不再修改 instance 了)
b. 餓漢模式-多線程版
加 synchronized 鎖 使線程安全
public class LazyModeV2 {
private static LazyModeV2 instance = null;
// 加synchronized鎖，但是這樣性能太低，所以有了mode3
public synchronized static LazyModeV2 getInstance(){
// 第一次調用這個方法時，說明我們應該實例化對象了
if (instance == null) {
instance = new LazyModeV2(); // 只在第一次的時候執(zhí)行
}
return instance;
}
private LazyModeV2(){};
}
但是顯而易見，如果簡單粗暴的加鎖，只在第一次初始化時為保證線程安全使用一次，在后續(xù)getInstance 時也要進行加鎖解鎖操作，降低性能。
c. 餓漢模式-多線程改進版
1.使用雙重 if 判定, 降低鎖競爭的頻率
2.給 instance 加上了 volatile
class LazyModeV3 {
// volatile
private volatile static LazyModeV3 instance = null;
public static LazyModeV3 getInstance(){
// 1. 第一次調用這個方法時，說明我們應該實例化對象了
if (instance == null) {
// 在第一次instance 沒有初始化的時候
// 沒有鎖保護，有多個線程可以走到這里 a, b, c, d
// 2. **但是只有第一個線程a能加鎖，a 加鎖后并且實例化對象，
// **b, c, d 加鎖進去后發(fā)現instance != null, 就不會再創(chuàng)建了
synchronized (LazyModeV3.class) {
// 3. 加鎖之后才能執(zhí)行
// 第一個搶到鎖的線程看instance 是 null
// 其他第一個搶到鎖的線程看instance 是 null
// 保證instance 只實例化一次
if (instance == null) {
instance = new LazyModeV3(); // 只在第一次的時候執(zhí)行
// 4. 但是還可能出問題，出現重排序，變成 1 -> 3 -> 2 其他線程掉instance就出現問題，
// 所以定義時就加上volatile，防止重排序;
}
}
}
return instance;
}
private LazyModeV3(){};
}2 阻塞隊列(blocking queue)
2.1 阻塞隊列
阻塞隊列是一種特殊的隊列也遵守 "先進先出" 的原則
阻塞隊列能是一種線程安全的數據結構, 并且具有以下特性:
- 當隊列滿的時候, 繼續(xù)入隊列就會阻塞, 直到有其他線程從隊列中取走元素
- 當隊列空的時候, 繼續(xù)出隊列也會阻塞, 直到有其他線程往隊列中插入元素
阻塞隊列的一個典型應用場景就是 "生產者消費者模型".
2.2 生產者消費者模型
生產者消費者模式就是通過一個容器來解決生產者和消費者的強耦合問題。
生產者和消費者彼此之間不直接通訊，而通過阻塞隊列來進行通訊，所以生產者生產完數據之后不用等待消費者處理，直接扔給阻塞隊列，消費者不找生產者要數據，而是直接從阻塞隊列里取
- 阻塞隊列就相當于一個緩沖區(qū)，平衡了生產者和消費者的處理能力
- 阻塞隊列也能使生產者和消費者之間 解耦
2.3 標準庫中的阻塞隊列
在 Java 標準庫，JUC包下的blocking queue，是Queue 的子接口
- BlockingQueue 是一個接口. 真正實現的類是 LinkedBlockingQueue（無上限）、ArrayBlockingQueue（有上限）
- put 方法用于阻塞式的入隊列, take 用于阻塞式的出隊列
- BlockingQueue 也有 offer, poll, peek 等方法, 但是這些方法不帶有阻塞特性
- 都會拋出lnterruptedException 異常，可以被中斷
public class Main0 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
BlockingQueue b1 = new LinkedBlockingDeque();
BlockingQueue<Integer> b2 = new ArrayBlockingQueue<>(3);
b2.put(1);
b2.put(2);
b2.put(3);
b2.put(4); // 插入第四個時就會阻塞
}
}
2.4 實現阻塞隊列
通過 "循環(huán)隊列" 的方式來實現.
使用 synchronized 進行加鎖控制.
put 插入元素的時候, 判定如果隊列滿了, 就進行 wait. (注意, 要在循環(huán)中進行 wait. 被喚醒時不一定 隊列就不滿了, 因為同時可能是喚醒了多個線程).
take 取出元素的時候, 判定如果隊列為空, 就進行 wait. (也是循環(huán) wait)
public class MyArrayBlockingQueue {
private long[] array;
private int frontIndex;
private int rearIndex;
private int size;
public MyArrayBlockingQueue (int capacity){
array = new long[capacity];
frontIndex = 0;
rearIndex = 0;
size = 0;
}
public synchronized void put (long val) throws InterruptedException {
// while 防止假喚醒
while(size == array.length){
this.wait();
}
// 預期：隊列一定不是滿的
array[rearIndex] = val;
rearIndex++;
if(rearIndex == array.length){
rearIndex = 0;
}
// notify();
// 在多生產者，多消費者時用notifyAll()
notifyAll();
}
public synchronized long take () throws InterruptedException {
while(size == 0){
wait();
}
long val = array[frontIndex];
frontIndex++;
if(frontIndex == array.length){
frontIndex = 0;
}
// notify();
// 在多生產者，多消費者時用notifyAll()
notifyAll();
return val;
}
}3. 定時器
定時器一種實際開發(fā)中非常常用的組件，類似于一個“鬧鐘”，達到特定時間執(zhí)行某個特定的代碼。
3.1 標準庫中的定時器
標準庫中提供了一個 Timer 類. Timer 類的核心方法為 schedule
schedule 包含兩個參數. 第一個參數指定即將要執(zhí)行的任務代碼, 第二個參數指定多長時間之后執(zhí) 行 (單位為毫秒)
public class UserTimer {
public static void main(String[] args) {
Timer timer = new Timer();
TimerTask task = new TimerTask() {
@Override
public void run() {
System.out.println("鬧鐘響了");
}
};
//timer.schedule(task, 5000); // 5秒后執(zhí)行任務
timer.schedule(task, 2000, 3000); // 2秒后執(zhí)行任務，并且之后每三秒執(zhí)行一次
while (true){} // 主線程死循環(huán)，所以之后的輸出都不是主線程打印的
}
}
3.2 實現定時器
- 一個帶優(yōu)先級的阻塞隊列
- 隊列中的每個元素是一個 Task 對象.
- Task 中帶有一個時間屬性, 隊首元素就是即將執(zhí)行的Task
- 同時有一個 worker 線程一直掃描隊首元素, 看隊首元素是否需要執(zhí)行
為啥要帶優(yōu)先級呢?
因為阻塞隊列中的任務都有各自的執(zhí)行時刻 (delay). 最先執(zhí)行的任務一定是 delay 最小的. 使用帶 優(yōu)先級的隊列就可以高效的把這個 delay 最小的任務找出來.
import java.util.concurrent.PriorityBlockingQueue;
// 定義一個工作抽象類
abstract class MyTimerTask implements Comparable<MyTimerTask> {
long runAt; // 這個任務應該在何時運行（記錄為 ms 為單位的時間戳）
abstract public void run();
@Override
public int compareTo(MyTimerTask o) {
if (runAt < o.runAt) {
return -1;
} else if (runAt > o.runAt) {
return 1;
} else {
return 0;
}
}
}
// 定時器
public class MyTimer {
// 這里是普通屬性，不是靜態(tài)屬性
// 優(yōu)先級隊列，要求元素具備比較能力
private final PriorityBlockingQueue<MyTimerTask> queue = new PriorityBlockingQueue<>();
private final Object newTaskComing = new Object();
public MyTimer() {
Worker worker = new Worker();
worker.start();
}
// 不能使用靜態(tài)內部類，否則看不到外部類的屬性
class Worker extends Thread {
@Override
public void run() {
while (true) {
MyTimerTask task = null;
try {
task = queue.take();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// task 應該有個應該執(zhí)行的時刻（不能記錄 delay）
long now = System.currentTimeMillis();
long delay = task.runAt - now;
if (delay <= 0) {
task.run();
} else {
try {
// Thread.sleep(delay); // 5s
// 應該在兩種條件下醒來：
// 1. 有新的任務過來了（任務可能比當前最小的任務更靠前）
// 2. 沒有新任務來，但到了該執(zhí)行該任務的時候了
synchronized (newTaskComing) {
newTaskComing.wait(delay); // 最多等待delay秒
}
// 如果當前時間已經在要執(zhí)行任務的時間之后了
// 說明任務的執(zhí)行時間已過，所以應該去執(zhí)行任務了
// 否則，先把這個任務放回去（因為時間還沒到），再去取最小的任務
if (System.currentTimeMillis() >= task.runAt) {
task.run();
} else {
queue.put(task);
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
}
public void schedule(MyTimerTask task, long delay) {
// 該方法非工作線程（主線程）調用
task.runAt = System.currentTimeMillis() + delay;
queue.put(task);
synchronized (newTaskComing) {
newTaskComing.notify();
}
}
}4 線程池
因為創(chuàng)建線程 / 銷毀線程 的開銷較大，使用線程池就是減少每次啟動、銷毀線程的損耗
4.1 標準庫中的線程池
Executor -> ExecutorService -> ThreadPoolExcutor() 實現類
- corePoolSize: 正式員工的名額上限
- maximumPoolSize: 正式＋臨時的名額上限
- keepAliveTime + unit: 臨時工允許空閑時間的上限
- workQueue: 任務隊列
- handler: 拒絕（默認）、調用者允許、丟棄最老的、丟棄當前
import java.util.Scanner;
import java.util.concurrent.*;
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
BlockingQueue<Runnable> queue = new ArrayBlockingQueue<>(1);
ExecutorService service = new ThreadPoolExecutor(
3, // 正式員工 10
9, // 臨時員工 20
10, TimeUnit.SECONDS,
queue, // 阻塞隊列
new ThreadFactory() {
@Override
public Thread newThread(Runnable r) {
Thread t = new Thread(r, "飯店廚師");
return t;
}
}, // 線程工廠
new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy() // 拒絕策略
);
// 定義任務
Runnable task = new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
TimeUnit.DAYS.sleep(365);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
};
// 把任務提交給線程池對象（公司）
Scanner s = new Scanner(System.in);
for (int i = 1; i < 100; i++) {
s.nextLine();
service.execute(task);
System.out.println(i);
}
}
}Executor 是接口
Executor 定義了一些固定策略的線程池
4.2 Executors 創(chuàng)建線程池的幾種方式
- newFixedThreadPool: 創(chuàng)建固定線程數的線程池（只有正式員工）
- newCachedThreadPool: 創(chuàng)建線程數目動態(tài)增長的線程池（只有臨時員工）
- newSingleThreadExecutor: 創(chuàng)建只包含單個線程的線程池（只有一個正式員工）
- newScheduledThreadPool: 設定 延遲時間后執(zhí)行命令，或者定期執(zhí)行命令. 是進階版的 Timer
public class Demo2 {
public static void main(String[] args) {
// 不太建議在實際生產項目下使用
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);
ExecutorService service1 = Executors.newSingleThreadExecutor();
ExecutorService service2 = Executors.newCachedThreadPool();
Runnable task = new Runnable() {
@Override
public void run() {
}
};
service.execute(task);
}
}
4.3 利用線程池 創(chuàng)建多線程計算fib 數
import java.util.Scanner;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class Demo3 {
static class CalcFib implements Runnable {
private final int n;
CalcFib(int n) {
this.n = n;
}
@Override
public void run() {
long r = fib(n);
System.out.printf("fib(%d) = %d\n", n, r);
}
private long fib(int n) {
if (n == 0 || n == 1) {
return 1;
}
return fib(n - 1) + fib(n - 2);
}
}
public static void main(String[] args) {
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(10);
while (true) {
System.out.print("提交數字: ");
int n = scanner.nextInt();
Runnable task = new CalcFib(n);
service.execute(task);
}
}
}4.4 實現線程池
總結：
線程中線程是按需創(chuàng)建：
- 一開始一個線程都沒有︰隨著任務提交，創(chuàng)建core線程（當前線程數<corePoolSize)
- 優(yōu)先提交隊列，直到隊列滿
- 創(chuàng)建臨時工去處理 > corePoolSize的線程，直到maximumPoolSize
- 執(zhí)行拒絕策略
import java.util.concurrent.*;
// 線程池類
public class MyThreadPoolExecutor implements Executor {
private int currentCoreSize; // 當前正式員工的數量
private final int corePoolSize; // 正式員工的數量上限
private int currentTemporarySize; // 當前臨時員工的數量
private final int temporaryPoolSize; // 臨時員工的數量上限
private final ThreadFactory threadFactory;// 創(chuàng)建線程的工廠對象
// 臨時工摸魚的時間上限
private final long keepAliveTime;
private final TimeUnit unit;
// 傳遞任務的阻塞隊列
private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;
public MyThreadPoolExecutor(int corePoolSize,
int maximumPoolSize,
long keepAliveTime,
TimeUnit unit,
BlockingQueue<Runnable> workQueue,
ThreadFactory threadFactory,
RejectedExecutionHandler handler) {
this.corePoolSize = corePoolSize;
this.temporaryPoolSize = maximumPoolSize - corePoolSize;
this.workQueue = workQueue;
this.threadFactory = threadFactory;
this.keepAliveTime = keepAliveTime;
this.unit = unit;
}
// 向線程池中提交任務
@Override
public void execute(Runnable command) {
// 1. 如果正式員工的數量還低于正式員工的數量上限，則優(yōu)先創(chuàng)建正式員工處理任務
// 1.1 需要管理，當前正式員工有多少，正式員工的數量上限有多少？
if (currentCoreSize < corePoolSize) {
// 優(yōu)先創(chuàng)建正式員工進行處理
// 創(chuàng)建一個線程，這個線程中的任務就是不斷地取任務-做任務，但是不需要考慮退出的問題
CoreJob job = new CoreJob(workQueue, command);
// Thread thread = new Thread(job); // 不使用工廠創(chuàng)建的線程
Thread thread = threadFactory.newThread(job); // thread 代表的就是正式員工
String name = String.format("正式員工-%d", currentCoreSize);
thread.setName(name);
thread.start();
// 只是兩種不同的策略，沒有誰是正確的說法
// 1. 把 command 放到隊列中；command 的執(zhí)行次序是在隊列已有的任務之后
// 2. 創(chuàng)建正式員工的時候，就把 command 提交給正式員工，讓 command 優(yōu)先執(zhí)行
// 我們這里采用第二種方案，主要原因就是 java 官方的就是使用的第二種策略
currentCoreSize++;
return;
}
// 走到這里，說明正式員工的數量 == 正式員工的上限了
// 2. 優(yōu)先把任務放入隊列中，如果放入成功，execute 執(zhí)行結束，否則還需要繼續(xù)
// 2.1 需要一個阻塞隊列
// workQueue.put(command); // 帶阻塞的放入，是否滿足這里的需求？
// 我們這里希望的是立即得到結果
boolean success = workQueue.offer(command);
if (success == true) {
// 說明放入隊列成功
return;
}
// 隊列也已經放滿了
// 3. 繼續(xù)判斷，臨時工的數量有沒有到上限，如果沒有到達，創(chuàng)建新的臨時工來處理
if (currentTemporarySize < temporaryPoolSize) {
// 創(chuàng)建臨時工進行處理
TemporaryJob job = new TemporaryJob(keepAliveTime, unit, workQueue, command);
//Thread thread = new Thread(job); // 不使用工廠創(chuàng)建的線程
Thread thread = threadFactory.newThread(job); // thread 代表的就是臨時員工
String name = String.format("臨時員工-%d", currentTemporarySize);
thread.setName(name);
thread.start();
currentTemporarySize++;
return;
}
// 4. 執(zhí)行拒絕策略
// 為了實現方便，暫時不考慮其他策略
throw new RejectedExecutionException();
}
// 一個正式員工線程要完成的工作
class CoreJob implements Runnable {
// 需要阻塞隊列
private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;
private Runnable firstCommand;
CoreJob(BlockingQueue<Runnable> workQueue, Runnable firstCommand) {
this.workQueue = workQueue;
this.firstCommand = firstCommand;
}
@Override
public void run() {
try {
firstCommand.run(); // 優(yōu)先先把剛提交的任務先做掉了
firstCommand = null; // 這里設置 null 的意思是，不影響 firstCommand 對象被 GC 時的回收
while (!Thread.interrupted()) {
Runnable command = workQueue.take();
command.run();
}
} catch (InterruptedException ignored) {}
}
}
// 一個臨時員工線程要完成的工作
class TemporaryJob implements Runnable {
// 需要阻塞隊列
private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;
private final long keepAliveTime;
private final TimeUnit unit;
private Runnable firstCommand;
TemporaryJob(long keepAliveTime, TimeUnit unit, BlockingQueue<Runnable> workQueue, Runnable firstCommand) {
this.keepAliveTime = keepAliveTime;
this.unit = unit;
this.workQueue = workQueue;
this.firstCommand = firstCommand;
}
@Override
public void run() {
try {
firstCommand.run(); // 優(yōu)先先把剛提交的任務先做掉了
firstCommand = null; // 這里設置 null 的意思是，不影響 firstCommand 對象被 GC 時的回收
// 一旦超過一定時間沒有任務，臨時工是需要退出的
// 1. keepAliveTime + unit 記錄起來
// 2. 怎么就知道超過多久沒有任務了？如果一定時間內都無法從隊列中取出來任務，則認為摸魚時間夠了
while (!Thread.interrupted()) {
// Runnable command = workQueue.take();
Runnable command = workQueue.poll(keepAliveTime, unit);
if (command == null) {
// 說明，沒有取到任務
// 說明超時時間已到
// 說明該線程已經 keepAliveTime + unit 時間沒有工作了
// 所以，可以退出了
break;
}
command.run();
}
} catch (InterruptedException ignored) {}
}
}
}以上就是Java多線程(單例模式,阻塞隊列,定時器,線程池)詳解的詳細內容，更多關于Java多線程的資料請關注腳本之家其它相關文章！
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