Java多线程案例及其代码实现

目录

案例一：单例模式

1.饿汉模式的代码实现

2.懒汉模式

案例二：阻塞队列

1.线程安全

2.产生阻塞效果

        1.如果队列为空，尝试出队列，就会出现阻塞现象，阻塞到队列不为空为止。

        2.如果队列未满，尝试入队列，也会出现阻塞，阻塞到队列不为满为止。

案例三：定时器

1.描述任务

2.组织任务（使用一定的数据结构把这些任务给放到一起）

 3.执行时间到了的任务

案例四：线程池

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案例一：单例模式

线程安全的单例模式有两种典型实现：

1.饿汉模式。

2.懒汉模式。

什么是饿汉模式什么是懒汉模式呢，打个比方来说，饿汉模式就像我们有四个碗，每次用完四个碗，就洗干净，懒汉呢就是我吃完后这四个碗我不喜欢，需要的时候呢，要几个我在去洗几个（但这样反而是更加高效的）

总结：

饿汉模式的单例模式：直接去创建实例。

懒汉模式的单例模式：是不太着急的去创建实例，只有在用的时候，才真正创建。

1.饿汉模式的代码实现

在类中，我们直接使用static 创建一个势力，并且立即进行还是实例化，因为实现的是单例模式，所以将他的构造方法设为private，防止我们在其他地方不小心new这个Singleton，这样，这个instance就是Singleton的唯一实例 ，创建一个方法，让外界可以拿到这个唯一的实例。那么这个是线程安全的吗？ 当然是，因为饿汉模式中的getInstance，仅仅只是读取变量内容，如果多个线程只是读同一个内容，不进行修改，此时，线程任然是安全的。

2.懒汉模式

 

 同饿汉模式不同的是，并不是一开始就创建出实例，只有当外界真正使用到getInstance的时候进入判断，如果这个实例不存在的话才会创建，但这个还是存在问题的，我们发现，这个和饿汉模式不同的是他的getInstance方法不仅仅进行了读操作，还包含了修改操作，不是原子性的，所以，存在着线程安全问题，就像我们之前讲到的，两个线程对一个变量进行增值，这里就有可能会创建出多个实例。那么如何保证懒汉模式的线程安全呢？这里我们就想到了加锁

 虽然现在我们加锁了，但是还是存在问题，出现线程安全是因为没有初始化，多个线程读写操作一起，可能会创建很多事例，但是当我们已经将instance初始化之后，这个方法就只剩下了读操作，此时是线程安全的，那么这样加锁的话，无论代码是初始化之后还是之前，调用getInstance都会进行加锁，这样就可能会产生所得竞争，但是这样的竞争其实是没有必要的，这样只会降低程序的运行速度，所以，我们就要对他进行优化

 只有当instance没有创建实例的时候才会给它加锁，当他已经初始化了，我们就只需要读即可。我们发现内外两个判定条件一模一样，但是他们的作用却大不相同，外面的条件判定，是在判断是不是要加锁，内层的是判断是否要创建实例，只是刚好这两个目的就是判断instance是否为null。经过一顿整改，结果还有一个问题，就是内存可见性问题，当我们如果多个线程，都去调用这里的getInstance，就会造成大量的读操作，然后编译期就会自己优化，把合格读内存操作优化成读寄存器操作，当触发这个优化后，后续如果已经完成了对instance的修改，那么后面的线程感知不到，有人会想，不是加了synchronized吗？是的，这个内存可见性问题，可能会引起第一个if判定失效，但是对于第二个并没有多大影响，因此只是引起了第一层的误判，也及时导致不该加锁的加锁。解决的方法只需要给instance加上volatile即可。

 这样，完全体的线程安全单例模式的懒汉模式就完成了。

总结一下：我们写饿汉模式就是直接创建实例，懒汉模式呢，使用在创建，懒汉模式要注意三点：1.正确的加锁位置

2.双重if判定

3.内存可视化问题

案例二：阻塞队列

既然是队列，那就同样也是先进先出，相比于普通队列，阻塞队列又有一些其他方面的功能。

1.线程安全

2.产生阻塞效果

        1.如果队列为空，尝试出队列，就会出现阻塞现象，阻塞到队列不为空为止。

        2.如果队列未满，尝试入队列，也会出现阻塞，阻塞到队列不为满为止。

基于上面的这些特性，我们就可以实现“生产者消费者模型”

生产者消费者模型

生产者消费者模型，是实际开发中非常有用的一种多线程开发手段，它具有一下几个有点

优点1：能够让多个服务器程序之间更充分的解耦合

如果不使用生产者消费者模型，两个服务器之间的耦合性是比较强的，在开发A服务器的时候就得充分了解B提供的一些接口，开发B的时候也得充分了解A是怎么调用的，一旦换成别的，服务器代码需要有很大的改动，而使用生产者消费者模型，就可以降低这里的耦合性。

优点2：能够对于请求进行“削峰填谷”

当不使用生产者消费者模型的时候，如果请求量突然暴涨，那么会进而导致另一个服务器请求量暴涨，虽然这个服务器为入口服务器，计算量很低，暴涨问题也不大，但是对于应用服务器，计算量就会很大，需要的需同资源也会很多，如果主机的硬件不够好的话，就有可能导致程序挂了。

这时，使用阻塞队列，请求量暴涨的时候，会导致阻塞队列的请求暴涨，由于阻塞队列没啥计算量，只是单纯的存储数据，所以能抗住很大的压力，应用服务器还是按照原来的速度来消费数据，不会因为，入口服务器暴涨而暴涨，被保护的很好，就不会引起程序的崩溃。

首先，我们先来了解先Java标准库中的阻塞队列的用法

在Java中我们用到的是

 

接下来，我们来自己实现一个阻塞队列

首先，我们先来实现一个普通的队列，再加上线程安全，再加上阻塞，那么就成了一个阻塞队列，数组我们可以基于链表实现，也可以基于数组实现，相对来说，数组更加方便，这里我们就用数组来实现，队列的话需要是循环队列，但是要想实现循环队列，我们要面对一个重要的问题，如何判断队列是满是空，我们定义一个tail，定义一个head，开始的时候，head和tail都只想首位置，当入队列时八元素放到tail位置上，然后tail++，出队列时把head位置的元素返回出去，并且head++；当hend或者tail到达对位的时候，就重新从头开始，循环。当head和tail相遇的时候就代表空或者满，但是如果不加额外的限制，此时队列空或者满都一样，于是，我们就有了两种方法：

1.浪费一个格子，当head == tail认为是空，当head == tail+1 认为是满。

2.额外创建一个变量；size，记录元素的个数

方法1 不直观，开销大，所以我们选择方法2

 接下来我们要完成完整的生产者消费者模型，并简单实现下

class MyBlockingQueue{
    // 用于保存数据
    private int[] data = new int[1000];
    // 显示有效元素的个数，判断是满是空
    private  int size = 0;
    // 队首下表
    private int head = 0;
    // 队尾下标
    private int tail = 0;

    // 专门的锁对象
    private Object locker = new Object();

    // 入队列
    public void put(int value) throws InterruptedException {
        synchronized (locker) {
            // 队列满了
            if (size == data.length) {
                // 满了，等待不为满
                locker.wait();
            }
            // 把元素放到tail下标处，tail++
            data[tail] = value;
            tail++;
            // 当tail到最后了，将tail置位0，循环
            if (tail >= data.length) {
                tail = 0;
            }
            // 添加完后，长度要+1;
            size++;
            // 用于唤醒空队列时候阻塞等待
            locker.notify();
        }
    }

    // 出队列
    public Integer take() throws InterruptedException {
        synchronized (locker) {
            if (size == 0) {
                // 如果队列为空, 就返回一个非法值.
                // return null;
                locker.wait();
            }
            // 取出 head 位置的元素
            int ret = data[head];
            head++;
            if (head >= data.length) {
                head = 0;
            }
            size--;
            // take 成功之后, 就唤醒 put 中的等待.
            locker.notify();
            return ret;
        }
    }

}
public class Demo3 {
    private static MyBlockingQueue queue = new MyBlockingQueue();

    public static void main(String[] args) {
        Thread producer = new Thread(() ->{
           int num = 0;
           while (true) {
               try {
                   System.out.println("产生了：" +num);
                   queue.put(num);
                   num++;
                   Thread.sleep(500);

               } catch (InterruptedException e) {
                   e.printStackTrace();
               }
           }
        });
        producer.start();
        Thread customer = new Thread(() ->{
            while (true) {
                try {
                    int num = queue.take();
                    System.out.println("消费了：" + num);
                    Thread.sleep(500);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        });
        customer.start();
    }
}

 为了方便观察我们每次打印停0.5秒，观察结果

 而当我们只将消费线程停止0.5秒，这时我们就可以发现阻塞队列的作用

 瞬间产生了1000，但是满了就会进入等待，只有通过take中的notify来唤醒

案例三：定时器

定时器就像是一个闹钟，进行定时，在一定时间后，被唤醒并且执行某个之前设定好的任务，提到这，我们就会想起前面说的join和sleep，join是可以指定等待时间，sleep可以指定休眠时间，这两个都是基于系统内部的定时器来实现的，接下来，我们来看看标准库中的定时器，在自己来实现一个定时器

java下的util包中的Timer类核心方法就一个schedule，参数有两个一个是用来描述任务是什么，一个是来指定多久后执行

 要自己实现定时器，那我们需要想想Timer里面实现了什么，需要什么东西呢？

1.描述任务

创建一个专门的类来描述定时器中的任务（TimerTask）

 

布置完任务后下一步就是组织任务了

2.组织任务（使用一定的数据结构把这些任务给放到一起）

我们安排任务执行先后，需要判断谁先 ，快速找到所有任务中，时间最小的，所以，这里我们就要使用到优先级队列，在标准库中，有一个专门的数据结构 PriorityQueue ，这里因为是多线程，所以我们要考虑到线程安全问题所以我们将用到PriorityBlockingQueue，及带有优先级，又带有阻塞队列

 3.执行时间到了的任务

需要先执行时间最靠前的任务，就需要有一个线程，不停地去检查当前优先队列的队首元素，看看说当前最靠前的任务是不是已经到该执行的时间了

class MyTask implements Comparable{
    // 任务的内容
    private Runnable runnable;
    // 什么时候开始执行任务
    private long time;

    //after 是一个时间间隔，不是绝对的时间戳的值
    public MyTask(Runnable runnable, long after) {
        this.runnable = runnable;
        this.time = System.currentTimeMillis() + after;
    }
    public void run() {
        runnable.run();
    }

    public long getTime() {
        return time;
    }

    @Override
    public int compareTo(MyTask o) {
        return (int) (this.time - o.time);
    }
    // 比较

}

class MyTimer {
    // 定时器内部要存放多个任务
    // 创建一个优先级队列，用来存放任务
    private PriorityBlockingQueue queue = new PriorityBlockingQueue<>();

    // 准备
    public void schedule(Runnable runnable, long delay) {
        // 相对列中插入任务
        MyTask task = new MyTask(runnable,delay);
        queue.put(task);
        synchronized (locker) {
            locker.notify();
        }
    }
    // 添加锁对象
    private Object locker = new Object();
    public MyTimer () {
        Thread t = new Thread(() -> {
           while(true) {
               try {
                   // 先取出队首任务元素
                   MyTask task =queue.take();
                   long curTime = System.currentTimeMillis();
                   // 判断时间到没，没到放回去，到了执行
                   if (curTime < task.getTime()) {
                       queue.put(task);
                       synchronized (locker) {
                           locker.wait(task.getTime() - curTime);
                       }
                   } else {
                       task.run();
                   }
               } catch (InterruptedException e) {
                   e.printStackTrace();
               }
           }
        });
        t.start();
    }
}

这就是完成后的代码，其中有两点我们要值得注意，1.MyTask要有指定的比较任务先后的规则，需要我们手动指定，按照时间大小来比较。2.在检查比较当前任务到没到时间的时候，我们需要增加一个限制，如果不增加任何限制，这个循环就会执行的非常快，就会出现忙等现象，非常浪费CPU，所以，我们就要基于wait来制定等待时间，算出时间差，等待改时间，当然，在等待时候可能会加入新的任务，而且这个任务可能更接近执行时间，所以，要在schedule操作中，需要加上一个notify操作来唤醒。

总结：

1.描述一个任务，runnable+time；

2.使用优先队列来组织若干任务，PriorityBlockingQueue

3.实现schedule方法来注册任务到队列中

4.创建一个扫描线程，这个扫描线程不停地获取到队首元素，并且判定时间是否到达

还有上面提到的两点注意

案例四：线程池

线程池和进程池类似，就是把线程提前创建好，放到池子里，后面需要用到线程时，直接从池子里取出，就不必在系统这边申请了，线程用完了，也不是还给系统，而是放回到池子里，以备下次使用。

一样的，我们先来看看Java标准库中，线程池的使用，然后在自己实现一个线程池，在标准库中线程池叫做ThreadPoolExecutor 在java.util.concurrent 中，Java中很多和多线程相关的组件都在concurrent 包中

一共有四种构造方法，参数十分复杂，大家下去自己了解下了，虽然他参数很多，但是最重要的是第一组参数，线程池中线程的个数，标准库中还有一个简单版本的线程池Executors，本质上就是针对ThreadPoolExecutor进行了封装，提供了写默认参数，接下来我们仿照这个实现一个线程池

线程池里有啥呢：

1.先能够描述任务（直接使用Runnable）

2.需要组织任务（直接使用Blockingqueue）

3.能够描述工作线程

4.还需要组织这些线程。

5.需要实现往线程池里添加任务

class myThreadPool {
    
    private BlockingQueue queue = new LinkedBlockingQueue<>();
    
    static class Worker extends Thread {
       
        private BlockingQueue queue = null;

        public Worker(BlockingQueue queue) {
            this.queue = queue;
        }

        @Override
        public void run() {
          
            while (true) {
                try {
                    Runnable runnable = queue.take();
                    runnable.run();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
    private List workers = new ArrayList<>();

    public myThreadPool(int n) {
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            Worker worker = new Worker(queue);
            worker.start();
            workers.add(worker);
        }
    }

    public void submit(Runnable runnable) {
        try {
            queue.put(runnable);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}