Java 多线程设计模式

Java 多线程设计模式

基础知识：

java内存模型：主存储器，工作存储器

主存储器就是实例位置所在区域，所有的实例都位于主存储器内。尤其实例所拥有的字段即位于主存储器内的区域。主存储器为所有的线程所共有。

工作存储器为各个线程所拥有的作业区，，所有的线程都用其专用的工作存储器。在工作存储器内，存在有主存储器中必要部分的拷贝，称之为工作拷贝（workingcopy）

 

 

主存储器好比是大家都看得到的黑板；而工作存储器就像每个人的笔记本

 

synchronized的两项功能

synchronized原意为“同时取得”，这里的“同步”分为“线程的同步”与“内存的同步”两种。

        使用synchronized来制作临界区间（criticalsection）时，该区间仅能提供一个线程进行操作。在一个线程作业期间，其他的线程必须在critical section的入口处等待。由synchronized所规定的范围，来控制线程的操作。此为线程的同步。

        内存同步就是工作内存区和主存储器的同步，这个一般会在“欲进入”与“欲退出”synchronized时进行，如果是“正在synchronized内”或“正在synchronized外”时，便不保证一定会进行工作存储器与主存储器之间的同步。执行处理器或许会根据这个来进行最佳化。

 

Volatile（易变的反复无常的）的两项功能

1，  进行内存的同步

2，  已atomic的方式来进行long，double的制定

Volatile仅进行内存的同步，当线程欲引用volatile字段的值时，通常都会发生从主存储器到工作存储器到工作存储器的拷贝操作。而相反的，将值指定给写着volatile的字段后，工作存储器的内容通常便会映像到主存储器。

指定给long和double型的操作不保证会以atomic的方式来进行。但如果是long或double型的字段只要有写着volatile，就可以用atomic的方式来进行制定工作。

 

并行与并发

1，  程序的处理是不断切换有操作的线程，这种操作，就称为并发（concurrent）

2，如果是在有一个以上中央处理器的计算机上跑得java执行处理系统，则线程的操作可能是并行（parallel）而非并发。当一个以上的线程并行操作时，就可以真正同时进行一个以上的处理。

Ch1：Single Threaded ExecutionPattern（每次通过这座桥的人只能有一个）

当一个资源会被多个线程访问时，需要使用synchronized

注意需要保护的区间

Ch2：Immutable（永恒的）Pattern（想破坏它也没有办法）

使用时机：

当实例产生后，实例的状态就不再变化是首要条件。

所谓实例的状态，则是由字段的值所确定的，所以将字段设置成final，并且不要定义setter方法则是重点所在，然而这并不是足够的。

Immutable类里面的字段的引用也不能被外面的类持有，考虑到各种情况，传参数等。

Ch3：Guarded Suspension（暂停）Pattern（要等到我准备好哦）

当现在不适合马上执行某个操作时，就要求想要执行该线程等待，这就是Guarded SuspensionPattern.（也叫Guarded Wait，Spin Lock等）

这个模式中，有一个具有状态的对象。而这个对象只有在自己的状态合适的时候才会让线程进行目的处理。于是，首先我们以“警戒条件”来表示对象合适的状态。并在目的处理前，测试现在使用满足警戒条件。只有在警戒条件满足时，才会进行目的处理；而警戒条件不成立时，就会等待到成立为止。是有条件的Synchronized

单线程中这种情况会用if处理，所以Guarded Suspension Pattern也可以理解为多线程版本的if

Ch4：Balking（犹豫）Pattern（不需要的话，就算了吧）

        当现在不适合进行这个操作，或者是没有必要进行这个操作时，就直接放弃进行这个操作而回去，这就是BalkingPattern。这个模式和Guarded SuspensionPattern一样需要警戒条件，不过在这里不符合条件的话，不是去等待而是直接放弃。

Java语言中，使用if语句来测试警戒条件。Balk的时候，可以使用return方法退出，或者是使用throw抛出异常。警戒条件的测试，要使用synchronized放进临界区间里。

Ch5：Producer-ConsumerPattern（你来做，我来用）

Producer（生产者）是指产生数据的线程，Consumer（消费者）是指使用数据的线程

        生产者必须将数据安全的交给消费者。虽然只是这样的问题，但当生产者与消费者在不同线程上运行时，两者的俄处理速度差将是最大的问题。当消费者要取数据时生产者还没建立出数据，或是生产者建立出数据时消费者的恶状态还没有办法接收数据等。

        Producer-ConsumerPattern是在生产者和消费者之间加入一个“桥梁参与者”。来缓冲线程之间的处理速度差。（有可能有多个生产者和多个消费者）

Ch6：Read-Write LockPattern（大家想看就看吧，不过看的时候不能写哦）

Read-Write LockPattern将读取与写入分开来处理。在读取数据之前，必须获取用来读取得锁定。而要写入的时候，则必须获取用来写入的锁定。

        因为进行读取时，实例的状态不会改变，所以，就算有多个线程在同时读取也没有关系。但，有人在读取的时候，不可以做写入操作。

        写入的时候，实例的状态就会改变。于是，当有一个线程在写入的时候，其他线程就不可以有进行读取或写入。

 

Ch7：Thread-Per-MessagePattern（这个工作就交给你了）

Thread per message 解释过来就是“每个消息一个线程”。Message在这里可以看作是“命令”或“请求”的意思。对每个命令或请求，分配一个线程，有着个线程执行工作，这就是Thread-Per-MessagePattern。

        使用Thread-Per-Message Pattern 时，“委托消息的一端”与“执行消息的一端”会是不同的线程。也就像是委托消息的线程，对执行消息的线程说“这个工作就交给你了”。

进程和线程

1，进程和线程最大的差异在于内存能否共享。

通常每个进程所拥有的内存空间是各自独立的。进程不能擅自读取，改写其他进程的内存空间。因为进程的内存空间是相互独立的，所以进程无需担心被其他进程破坏的危险。

而线程则是共享内存的。

2，  进程和线程另一个差异，在于context-switch的频繁程度。

进程切换需要存储和保留的信息比较多，所以切换需要花费一些时间。然而线程需要管理的context信息比进程要少得多，所以一般而言县城context-switch比进程的context-switch要快的多。

Ch8：Worker ThreadPattern（等到工作来，来了就工作）

Worker是工人的意思，Worker Thread Pattern中，工人线程（workerthread）会依次抓一件工作来处理。当没有工作可做时，工人线程会停下来等待新的工作过来。WorkerThread也有人称为Background Thread。

Swing：事件监听机制，eventDispatcher

使用Thread-Per-MessagePattern将“送出工作请求的线程”与“执行工作的线程”分离开来，可以提高程序的响应性。

但是，每次送出工作请求时，都为这个工作启动新的线程也很浪费。

所以我们事先启动来执行工作的线程（工人线程）备用。并使用Producer-ConsumerPattern，将表示工作内容的实例传递给工人线程。

这么一来，工人线程会负责执行工作，就不需要一直启动新的线程了。

通过这个模式我们将“invocation与execution的分离”，也就是方法的启动与执行分离。在不同在线程上分别启动和执行方法。

Ch9：Future Pattern（献给您这张提货单）

Future是“未来”，“期货”的意思。

        假设有一个执行起来需要花一些时间的方法，我们就不要等待执行结果出来了，而获取一张替的“提货单”。因为获取提货单不需要花时间，这时这个“提货单”就是Future参与者。

        获取Future参与者的线程，会在事后再去获取执行结果。就好像那提货单去领取蛋糕一样，如果已经有执行结果了，就可以马上拿到数据。如果执行结果还没好，则继续等待到执行结果出现为止。

        上一章实现了启动方法与执行方法的分离，而Future则可以将“准备方法的返回值”与“使用方法的返回值”分离。而且可以在不同的线程上处理。

        将调用方法的一连串动作，像慢动作播放般逐一拆解。接着将分解出来的每个肚子的操作（启动，执行，准备返回值，使用返回值），尝试分配给不同的线程。我们把多线程当作道具使用，就是在做这些事情。

总结：

        Thread-Per-Message-Pattern是将花费时间的工作交给别的线程，以提高程序的响应性。不过，如果我们需要得到别的线程所处理的结果时，就行不通了。

        若同步执行需要花一些时间的操作，会使程序响应性降低。但是，如果异步的开始执行，却无法在第一时间得知结果。

这种时候就要使用FuturePattern。首先我们建立一个与处理结果具有相同接口（API）的Future参与者。接着，在开始处理时，先把Future参与者当作返回值返回。直到其他线程处理完以后，才将真正的结果设置给Future参与者。Client参与者可以通过Future参与者得到处理的结果。

使用这个Pattern，可使响应性不降低，并得到想要的处理结果。

Ch10：Two-Phase TerminationPattern（快把玩具收好，去睡觉吧）

我们将线程进行平常的处理的状态称为【作业中】。当希望结束这个线程时，则送出“终止请求”。接着这个线程，并不会马上结束，而会开始进行必要的刷新工作。这个状态称为【终止处理中】。从【作业中】改变成【终止处理中】是第一阶段。

        【终止处理中】的状态时，不会进行平常的操作。虽然线程还在运行，但进行得斯终止处理。直到终止处理结束后，才真正结束线程。【终止处理中】的操作结束，是第二阶段。

        先从【作业中】进入【终止处理中】状态，才真正结束掉线程。这就是Two-Phase Termination Pattern。

        主要考虑大关键因素如下：

        安全的结束（安全性）

        一定会进行终止处理（生明性）

        收到终止请求后，要尽快开始终止处理（响应性）

Ch11：Thread-Specific StoragePattern（每个线程的保管箱）

Thread-Specific StoragePattern是只有一个门，但内部会对每个线程提供特有的存储空间的Pattern。

关于java.lang.ThreadLocal类

        java.lang.ThreadLocal的实例可以想象成一种集合架构（collection）。也就是说ThreadLocal的实例只有一个，管理多个对象。为线程提供许多保管箱。

        ThreadLocal拥有set和get方法。线程直接调用set方法就可以把需要存的东西存到ThreadLocal中，直接以线程本身的Thread.currentThread()的值作为键值（系统默认）get的时候默认找对应线程的箱子中的东西，如果没有则返回null。

Actor-based 与Task-based（注重主体与注重客体）

        所谓Actor-based，用一句话说就是“偏重于线程”的开发方式。

Actor-based开发方式中，代表线程的实例，会拥有进行工作所需的信息（context，状态）。这样一来，可以降低线程之间需要传递的信息。每个线程会使用其他线程所传来的信息进行处理，改变自己的内部状态。这种线程通常称为actor（操作者）

        所谓Task-based，用一句话说，就是“偏重于工作”的开发方式。

Task-based的开发方式，就是不将信息（context,状态）放到线程里。而是把信息放在线程之间所传递的实例里。并不是只有数据，包括用来执行工作的方法，也放在这里实例里。这种线程间传递的实例称为“消息”，“请求”或“命令”。在这里我们又称它为task（任务）。任务内含有足够的信息，所以任务可以由任何线程来进行。合格开发方式，可使巨大的任务能在轻巧的线程之间往来。

        这种开放方式最典型的就是Worker Thread Pattern

Ch12：Active ObjectPattern（接收异步消息的主动对象）

        Active是“主动的”的意思，所以active object是“主动对象”的意思。“主动的”一般是指“自己拥有独立的线程”的意思。所以java的java.lang.Thread类的实例，也是一种主动对象．

        不过，Active ObjectPattern里出现的“主动对象”，并不只是“自己拥有独立的线程”而已。他还具有可以从外部接受异步消息，并能配合需要返回处理结果的特征。

        使用Active ObjectPattern组织成“主动对象”，就很像一群人集合在一起构成法人一样。虽然使用没有提供异步消息的java语言，但是使用ActiveObject Pattern，就可以组织出能够处理异步消息的“主动对象”。