设计模式与并发

最新推荐文章于 2022-05-03 18:18:03 发布

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本文探讨了设计模式中的工厂模式、抽象工厂模式和单例模式，并深入讲解了并发编程中的Synchronized和Lock机制，包括它们的工作原理和应用场景。文章还提到了Java并发中的偏向锁、轻量级锁和重量级锁的状态转换，以及并发中的ABA问题和CAS操作。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

设计模式与并发

tip1 设计模式：（每天总结一部分设计模式，一周总结完全部）

工厂模式（Factory Pattern）、抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）、单例模式（Singleton Pattern）

工厂模式:定义一个创建对象的接口，让其子类自己决定实例化哪一个工厂类，工厂模式使其创建过程延迟到子类进行。

何时使用：我们明确地计划不同条件下创建不同实例时。

父类是一个接口，子类的任务是实现接口，工厂要做的是生成基于给定信息的实体类的对象。

//创建接口

public interface Shape {
   void draw();
}

//实现接口

public class Rectangle implements Shape {
 
   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("Inside Rectangle::draw() method.");
   }
}

public class Square implements Shape {
 
   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("Inside Square::draw() method.");
   }
}

public class Circle implements Shape {
 
   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("Inside Circle::draw() method.");
   }
}

//创建工厂

public class ShapeFactory {
    
   //使用 getShape 方法获取形状类型的对象
   public Shape getShape(String shapeType){
      if(shapeType == null){
         return null;
      }        
      if(shapeType.equalsIgnoreCase("CIRCLE")){
         return new Circle();
      } else if(shapeType.equalsIgnoreCase("RECTANGLE")){
         return new Rectangle();
      } else if(shapeType.equalsIgnoreCase("SQUARE")){
         return new Square();
      }
      return null;
   }
}

//使用工厂

public class FactoryPatternDemo {
 
   public static void main(String[] args) {
      ShapeFactory shapeFactory = new ShapeFactory();
 
      //获取 Circle 的对象，并调用它的 draw 方法
      Shape shape1 = shapeFactory.getShape("CIRCLE");
 
      //调用 Circle 的 draw 方法
      shape1.draw();
 
      //获取 Rectangle 的对象，并调用它的 draw 方法
      Shape shape2 = shapeFactory.getShape("RECTANGLE");
 
      //调用 Rectangle 的 draw 方法
      shape2.draw();
 
      //获取 Square 的对象，并调用它的 draw 方法
      Shape shape3 = shapeFactory.getShape("SQUARE");
 
      //调用 Square 的 draw 方法
      shape3.draw();
   }
}

//输出结果

Inside Circle::draw() method.
Inside Rectangle::draw() method.
Inside Square::draw() method.

抽象工厂模式：工厂的工厂

//超级工厂：为 Color 和 Shape 对象创建抽象类来获取工厂。

public abstract class AbstractFactory {
   public abstract Color getColor(String color);
   public abstract Shape getShape(String shape) ;
}

//创建扩展了 AbstractFactory 的工厂类，基于给定的信息生成实体类的对象。

public class ShapeFactory extends AbstractFactory {
    
   @Override
   public Shape getShape(String shapeType){
      if(shapeType == null){
         return null;
      }        
      if(shapeType.equalsIgnoreCase("CIRCLE")){
         return new Circle();
      } else if(shapeType.equalsIgnoreCase("RECTANGLE")){
         return new Rectangle();
      } else if(shapeType.equalsIgnoreCase("SQUARE")){
         return new Square();
      }
      return null;
   }
   
   @Override
   public Color getColor(String color) {
      return null;
   }
}

public class ColorFactory extends AbstractFactory {
    
   @Override
   public Shape getShape(String shapeType){
      return null;
   }
   
   @Override
   public Color getColor(String color) {
      if(color == null){
         return null;
      }        
      if(color.equalsIgnoreCase("RED")){
         return new Red();
      } else if(color.equalsIgnoreCase("GREEN")){
         return new Green();
      } else if(color.equalsIgnoreCase("BLUE")){
         return new Blue();
      }
      return null;
   }
}

//创建一个工厂创造器/生成器类，通过传递形状或颜色信息来获取工厂。

public class FactoryProducer {
   public static AbstractFactory getFactory(String choice){
      if(choice.equalsIgnoreCase("SHAPE")){
         return new ShapeFactory();
      } else if(choice.equalsIgnoreCase("COLOR")){
         return new ColorFactory();
      }
      return null;
   }
}

//使用 FactoryProducer 来获取 AbstractFactory，通过传递类型信息来获取实体类的对象。

public class AbstractFactoryPatternDemo {
   public static void main(String[] args) {
 
      //获取形状工厂
      AbstractFactory shapeFactory = FactoryProducer.getFactory("SHAPE");
 
      //获取形状为 Circle 的对象
      Shape shape1 = shapeFactory.getShape("CIRCLE");
 
      //调用 Circle 的 draw 方法
      shape1.draw();
 
      //获取形状为 Rectangle 的对象
      Shape shape2 = shapeFactory.getShape("RECTANGLE");
 
      //调用 Rectangle 的 draw 方法
      shape2.draw();
      
      //获取形状为 Square 的对象
      Shape shape3 = shapeFactory.getShape("SQUARE");
 
      //调用 Square 的 draw 方法
      shape3.draw();
 
      //获取颜色工厂
      AbstractFactory colorFactory = FactoryProducer.getFactory("COLOR");
 
      //获取颜色为 Red 的对象
      Color color1 = colorFactory.getColor("RED");
 
      //调用 Red 的 fill 方法
      color1.fill();
 
      //获取颜色为 Green 的对象
      Color color2 = colorFactory.getColor("Green");
 
      //调用 Green 的 fill 方法
      color2.fill();
 
      //获取颜色为 Blue 的对象
      Color color3 = colorFactory.getColor("BLUE");
 
      //调用 Blue 的 fill 方法
      color3.fill();
   }
}

单例模式：

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

1、单例类只能有一个实例。

2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。

3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

创建一个单例类

public class SingleObject {
 
   //创建 SingleObject 的一个对象
   private static SingleObject instance = new SingleObject();
 
   //让构造函数为 private，这样该类就不会被实例化
   private SingleObject(){}
 
   //获取唯一可用的对象
   public static SingleObject getInstance(){
      return instance;
   }
 
   public void showMessage(){
      System.out.println("Hello World!");
   }

从单例类中获取唯一的对象

public class SingletonPatternDemo {
   public static void main(String[] args) {
 
      //不合法的构造函数
      //编译时错误：构造函数 SingleObject() 是不可见的
      //SingleObject object = new SingleObject();
 
      //获取唯一可用的对象
      SingleObject object = SingleObject.getInstance();
 
      //显示消息
      object.showMessage();
   }
}

tip2：（这个还没整理完lock）

Synchronized和lock

举个?

public class SynchronizedDemo implements Runnable {
    private static int count = 0;

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread thread = new Thread(new SynchronizedDemo());
            thread.start();
        }
        try {
            Thread.sleep(500);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("result: " + count);
    }

    @Override
    public void run() {//run方法是线程start后的执行体
        for (int i = 0; i < 1000000; i++)
            count++;
    }
}

这个没有实现得到结果10000000，为了得到正确的结果，就引入了Synchronized

第一步

首先引入java内存知识，这个线程不安全问题一般是因为主内存和工作内存数据不一致性和重排序导致的。

两个线程之间是通过共享变量来交流的，通过下面两步：

线程A从主内存中将共享变量读入线程A的工作内存后并进行操作，之后将数据重新写回到主内存中；
线程B从主存中读取最新的共享变量

但如果A读取数据更新后没放回主存，B就读的不是更新后的数据，那么就要通过同步机制和volatile关键字来保证变量的更新。

那么对于重排序：

编译器重排序、处理器重排序（指令级并行和内存访问重排序），这个在无数据依赖的情况下是可用的，但如果存在数据依赖（两个操作访问同一变量且两个操作中有一个是写操作），那不能改变其数据依赖性。所以无论怎样重排序有话都可以，只要不改变程序执行结果。

这里有两个原则：

1.程序员看到的是A happens-before B，且A的执行结果对B可见

2.实际执行中A、B没有数据依赖性就可以重排序，反正结果不违法，那么程序员看到的（1原则里面的）其实是幻境

即happens-before关系并不代表了最终的执行顺序。

具体规则

1.程序顺序规则：一个线程中的每个操作，happens-before于该线程中的任意后续操作。

2.监视器锁规则：对一个锁的解锁，happens-before于随后对这个锁的加锁。

3.volatile变量规则：对一个volatile域的写，happens-before于任意后续对这个volatile域的读。

4.传递性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C。

5.start()规则：如果线程A执行操作ThreadB.start()（启动线程B），那么A线程的ThreadB.start()操作happens-before于线程B中的任意操作。

6.join()规则：如果线程A执行操作ThreadB.join()并成功返回，那么线程B中的任意操作happens-before于线程A从ThreadB.join()操作成功返回。

7.程序中断规则：对线程interrupted()方法的调用先行于被中断线程的代码检测到中断时间的发生。

8.对象finalize规则：一个对象的初始化完成（构造函数执行结束）先行于发生它的finalize()方法的开始。

第二步

继续看synchronized

synchronized里面有一个monitor作为监视器，。执行同步代码块后首先要先执行monitorenter指令，退出的时候monitorexit指令

使用Synchronized进行同步，其关键就是必须要对对象的监视器monitor进行获取，当线程获取monitor后才能继续往下执行，否则就只能等待。而这个获取的过程是互斥的，即同一时刻只有一个线程能够获取到monitor。

在执行完同步代码块之后紧接着再会去执行一个静态同步方法，而这个方法锁的对象依然就这个类对象，那么这个正在执行的线程不需要获取该锁。这就是锁的重入性

对象，对象监视器，同步队列和线程状态的关系

小tip：sleep()交出来的时间片其他线程都可以去竞争，也就是说都有机会获得当前线程让出的时间片。而yield()方法只允许与当前线程具有相同优先级的线程能够获得释放出来的CPU时间片

第三步

使用锁时，线程获取锁是一种悲观锁策略，即假设每一次执行临界区代码都会产生冲突，所以当前线程获取到锁的时候同时也会阻塞其他线程获取该锁。

而CAS操作（又称为无锁操作）是一种乐观锁策略，它假设所有线程访问共享资源的时候不会出现冲突，既然不会出现冲突自然而然就不会阻塞其他线程的操作。

CAS比较交换的过程可以通俗的理解为CAS(V,O,N)，包含三个值分别为：V 内存地址存放的实际值；O 预期的值（旧值）；N 更新的新值。当V和O相同时，也就是说旧值和内存中实际的值相同表明该值没有被其他线程更改过，即该旧值O就是目前来说最新的值了，自然而然可以将新值N赋值给V。反之，V和O不相同，表明该值已经被其他线程改过了则该旧值O不是最新版本的值了，所以不能将新值N赋给V，返回V即可。当多个线程使用CAS操作一个变量是，只有一个线程会成功，并成功更新，其余会失败。失败的线程会重新尝试，当然也可以选择挂起线程。

CAS存在问题

1. ABA问题
因为CAS会检查旧值有没有变化，这里存在这样一个有意思的问题。比如一个旧值A变为了成B，然后再变成A，刚好在做CAS时检查发现旧值并没有变化依然为A，但是实际上的确发生了变化。解决方案可以沿袭数据库中常用的乐观锁方式，添加一个版本号可以解决。原来的变化路径A->B->A就变成了1A->2B->3C。

2. 自旋时间过长

使用CAS时非阻塞同步，也就是说不会将线程挂起，会自旋（无非就是一个死循环）进行下一次尝试，如果这里自旋时间过长对性能是很大的消耗。

3. 只能保证一个共享变量的原子操作

当对一个共享变量执行操作时CAS能保证其原子性，如果对多个共享变量进行操作,CAS就不能保证其原子性。有一个解决方案是利用对象整合多个共享变量，即一个类中的成员变量就是这几个共享变量。然后将这个对象做CAS操作就可以保证其原子性。atomic中提供了AtomicReference来保证引用对象之间的原子性。

第四步

锁一共有4种状态，级别从低到高依次是：无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态和重量级锁状态

HotSpot的作者经过研究发现，大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得，为了让线程获得锁的代价更低而引入了偏向锁。

偏向锁使用了一种等到竞争出现才释放锁的机制，所以当其他线程尝试竞争偏向锁时，持有偏向锁的线程才会释放锁。

偏向锁的撤销，需要等待全局安全点（在这个时间点上没有正在执行的字节码）。它会首先暂停拥有偏向锁的线程，然后检查持有偏向锁的线程是否活着，如果线程不处于活动状态，则将对象头设置成无锁状态；如果线程仍然活着，拥有偏向锁的栈会被执行，遍历偏向对象的锁记录，栈中的锁记录和对象头的Mark Word要么重新偏向于其他线程，要么恢复到无锁或者标记对象不适合作为偏向锁，最后唤醒暂停的线程。

偏向锁在Java 6和Java 7里是默认启用的，但是它在应用程序启动几秒钟之后才激活，如有必要可以使用JVM参数来关闭延迟：-XX:BiasedLockingStartupDelay=0。如果你确定应用程序里所有的锁通常情况下处于竞争状态，可以通过JVM参数关闭偏向锁：-XX:-UseBiasedLocking=false，那么程序默认会进入轻量级锁状态.

轻量级锁 加锁

线程在执行同步块之前，JVM会先在当前线程的栈桢中创建用于存储锁记录的空间，并将对象头中的Mark Word复制到锁记录中，官方称为Displaced Mark Word。然后线程尝试使用CAS将对象头中的Mark Word替换为指向锁记录的指针。如果成功，当前线程获得锁，如果失败，表示其他线程竞争锁，当前线程便尝试使用自旋来获取锁

解锁

轻量级解锁时，会使用原子的CAS操作将Displaced Mark Word替换回到对象头，如果成功，则表示没有竞争发生。如果失败，表示当前锁存在竞争，锁就会膨胀成重量级锁。

因为自旋会消耗CPU，为了避免无用的自旋（比如获得锁的线程被阻塞住了），一旦锁升级成重量级锁，就不会再恢复到轻量级锁状态。当锁处于这个状态下，其他线程试图获取锁时，都会被阻塞住，当持有锁的线程释放锁之后会唤醒这些线程，被唤醒的线程就会进行新一轮的夺锁之争。

新的?

public class SynchronizedDemo implements Runnable {
    private static int count = 0;

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread thread = new Thread(new SynchronizedDemo());
            thread.start();
        }
        try {
            Thread.sleep(500);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("result: " + count);
    }

    @Override
    public void run() {
        synchronized (SynchronizedDemo.class) {
            for (int i = 0; i < 1000000; i++)
                count++;
        }
    }
}

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