JAVA的并发编程（六）：多线程的设计模式

最新推荐文章于 2021-02-20 08:48:12 发布

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#多线程 #Future #Master-worker #设计模式

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本文深入讲解Future模式、Master-worker模式及生产者-消费者模式的原理与实现，通过具体示例展示如何利用Java语言进行高效并发编程。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

4.客户端Client向Service发起请求，网购餐具

5.Server向数据源Data慢慢请求真实数据，并返回给客户端

2）JDK自带的Callable、Future和FutureTask

1.Main主程序（依据处理器数量限制开启的线程数）

一、Future模式

1）用Java实现Future模式

我们先用一个例子来对future模式进行形象的分析：

情景1：

假如你突然想做饭，但是没有厨具，也没有食材。

在往常，我们可能会先去菜场买菜，然后去超市购买厨具，最后回家烹饪，这是一个迭代的流程。

在厨具买回来前，你没办法进行烹饪，这显然相当浪费时间。面对这种尴尬的处境，程序员就会想：在主线程买菜的期间，能不能发起一个子线程去移步买菜？

Where there is a will，there is a way，future 模式应运而生！

情景2：

我们去超市买食材，在此期间我们当然不会闲着，用手机发起了一次网购，相当于在主线程里面另起一个子线程去网购厨具，或者说发起一个Ajax请求。我们无需一直在家里等待快递配送，而是可以继续买菜，在我们回家的时候，快递送来了厨具。

执行步骤：

1.创建一个Data接口

代理数据和真实数据都实现了这个接口并重写getRequest方法用来返回数据

public interface Data {
	String getRequest();
}

2.代理数据FutureData

实现接口并封装了RealData ，如果没有装载好getRequest就处于阻塞状态，否则就正常执行

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();
	}
}

3.真实数据RealData

实现接口，实例化时购买厨具，模拟耗时5秒

public class RealData implements Data{
	private String result ;
	public RealData (String queryStr){
		System.out.println("根据" + queryStr + "购买厨具，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 = "《查询的结果》";
	}
	@Override
	public String getRequest() {
		return result;
	}
}

4.客户端Client向Service发起请求，网购餐具

public class Main {
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {		
		FutureService fc = new FutureService();
		Data data = fc.request("网购厨具");
		System.out.println("下单成功!");
		System.out.println("去菜场买菜...");		
		String result = data.getRequest();
		System.out.println(result);
	}
}

5.Server向数据源Data慢慢请求真实数据，并返回给客户端

public class FutureService {
	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，让他可以做其他的事情
		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;
	}	
}

以下是执行结果：

2）JDK自带的Callable、Future和FutureTask

1.Callable与Runnable

先说一下java.lang.Runnable吧，它是一个接口，在它里面只声明了一个run()方法：

public interface Runnable {
    public abstract void run();
}

由于run()方法返回值为void类型，所以在执行完任务之后无法返回任何结果。

Callable位于java.util.concurrent包下，它也是一个接口，在它里面也只声明了一个方法，只不过这个方法叫做call()：

public interface Callable<V> {    
    V call() throws Exception;
}

可以看到，这是一个泛型接口，call()函数返回的类型就是传递进来的V类型。

　　那么怎么使用Callable呢？一般情况下是配合ExecutorService线程池来使用的，在ExecutorService接口中声明了若干个submit方法的重载版本：

<T> Future<T> submit(Callable<T> task);
<T> Future<T> submit(Runnable task, T result);
Future<?> submit(Runnable task);

　　第一个submit方法里面的参数类型就是Callable。

　　暂时只需要知道Callable一般是和ExecutorService配合来使用的，具体的使用方法讲在后面讲述。

　　一般情况下我们使用第一个submit方法和第三个submit方法，第二个submit方法很少使用。

submit方法和excute方法的区别：submit可以传入Callable接口，而且他有返回值

2.Future

Future就是对于具体的Runnable或者Callable任务的执行结果进行取消、查询是否完成、获取结果。必要时可以通过get方法获取执行结果，该方法会阻塞直到任务返回结果。

　　Future类位于java.util.concurrent包下，它是一个接口：

public interface Future<V> {
    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
    boolean isCancelled();
    boolean isDone();

    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
    V get(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
}

cancel方法用来取消任务，如果取消任务成功则返回true，如果取消任务失败则返回false。参数mayInterruptIfRunning表示是否允许取消正在执行却没有执行完毕的任务，如果设置true，则表示可以取消正在执行过程中的任务。如果任务已经完成，则无论mayInterruptIfRunning为true还是false，此方法肯定返回false，即如果取消已经完成的任务会返回false；如果任务正在执行，若mayInterruptIfRunning设置为true，则返回true，若mayInterruptIfRunning设置为false，则返回false；如果任务还没有执行，则无论mayInterruptIfRunning为true还是false，肯定返回true。　　在Future接口中声明了5个方法，下面依次解释每个方法的作用：

isCancelled方法表示任务是否被取消成功，如果在任务正常完成前被取消成功，则返回 true。
isDone方法表示任务是否已经完成，若任务完成，则返回true；
get()方法用来获取执行结果，这个方法会产生阻塞，会一直等到任务执行完毕才返回；
get(long timeout, TimeUnit unit)用来获取执行结果，如果在指定时间内，还没获取到结果，就直接返回null。

　　也就是说Future提供了三种功能：

　　1）判断任务是否完成；

　　2）能够中断任务；

　　3）能够获取任务执行结果。

　　因为Future只是一个接口，所以是无法直接用来创建对象使用的，因此就有了下面的FutureTask。

3.FutureTask

我们先来看一下FutureTask的实现：

public class FutureTask<V> implements RunnableFuture<V>

　　FutureTask类实现了RunnableFuture接口，我们看一下RunnableFuture接口的实现：

public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {
    void run();
}

　　可以看出RunnableFuture继承了Runnable接口和Future接口，而FutureTask实现了RunnableFuture接口。所以它既可以作为Runnable被线程执行，又可以作为Future得到Callable的返回值。

　　FutureTask提供了2个构造器：

public FutureTask(Callable<V> callable) {}

public FutureTask(Runnable runnable, V result) {}

　　事实上，FutureTask是Future接口的一个唯一实现类。

4.使用示例

使用Callable+Future获取执行结果

新建Task实现Callable接口

class Task implements Callable<Integer> {
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        System.out.println("子线程在进行计算");
        Thread.sleep(3000);
        int sum = 0;
        for(int i=0;i<100;i++)
            sum += i;
        return sum;
    }
}

调用submit方法生成Futuer对象，调用future.get() 阻塞直到获取真实数据；

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
        Task task = new Task();
        Future<Integer> future = executor.submit(task);
        executor.shutdown();
         
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e1) {
            e1.printStackTrace();
        }         
        System.out.println("主线程在执行任务");
         
        try {
            System.out.println("task运行结果"+future.get());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("所有任务执行完毕");
    }
}

　　执行结果：

　　2.使用Callable+FutureTask获取执行结果

public class Test2 {
    public static void main(String[] args) {
        //第一种方式
        ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
        Task2 task = new Task2();
        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<Integer>(task);
        executor.submit(futureTask);
        executor.shutdown();

        //第二种方式，注意这种方式和第一种方式效果是类似的，只不过一个使用的是ExecutorService，一个使用的是Thread
        /*Task task = new Task();
        FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<Integer>(task);
        Thread thread = new Thread(futureTask);
        thread.start();*/
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e1) {
            e1.printStackTrace();
        }

        System.out.println("主线程在执行任务");
        
        try {
            System.out.println("task运行结果"+futureTask.get());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (ExecutionException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("所有任务执行完毕");
    }
}

class Task2 implements Callable<Integer> {
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        System.out.println("子线程在进行计算");
        Thread.sleep(3000);
        int sum = 0;
        for(int i=0;i<100;i++)
            sum += i;
        return sum;
    }
}

　　如果为了可取消性而使用 Future 但又不提供可用的结果，则可以声明 Future<?> 形式类型、并返回 null 作为底层任务的结果。

二、Master-worker模式

1）简介

Master-Worker模式是常用的并行设计模式。它的核心思想是，系统有两个进程协议工作：Master进程和Worker进程。Master进程负责接收和分配任务，Worker进程负责处理子任务。当各个Worker进程将子任务处理完后，将结果返回给Master进程，由Master进行归纳和汇总，从而得到系统结果。处理过程如下图：

Master-Worker模式的好处是，它能将大任务分解成若干个小任务，并发执行，从而提高系统性能。而对于系统请求者Client来说，任务一旦提交，Master进程就会立刻分配任务并立即返回，并不会等系统处理完全部任务再返回，其处理过程是异步的。

Master-Worker模式的主要结构如下图：

　如上图所示

Master：主要进程，用于任务的分配和最终结果的合并，它维护着一个Worker进程队列、子任务队列和子结果集，Worker进程中的Worker进程不断的从任务队列中提取要处理的子任务，并将子任务的处理结果放入到子结果集中。这里使用上一个笔记JAVA的并发编程（五）：同步类容器和并发类容器中提到的并发类容器，ConcurrentLinkedQueue用于存放任务，HashMap存放Worker，ConcurrentHashMap存放结果集。

Worker：用于实际处理一个任务；客户端进程：用于启动系统，调度开启Master。