【Java设计模式】Java 中的主动对象模式（active-object）：实现高效异步处理

Java 中的主动对象模式：实现高效异步处理

一、概述

在 Java 开发中，高效的异步处理对于提高应用程序的性能和响应能力至关重要。本文将深入探讨 Java 中的主动对象设计模式，介绍其意图、详细解释、编程示例、适用场景、教程、实际应用、优点和权衡以及相关设计模式。同时，还将提供示例代码的下载链接，方便读者进行学习和实践。

二、主动对象设计模式的意图

主动对象模式为 Java 中的异步处理提供了一种可靠的方法，确保应用程序具有响应性并实现高效的线程管理。它通过将任务封装在具有自己线程和消息队列的对象中实现这一目标。这种分离使得主线程保持响应，避免了直接线程操作或共享状态访问等问题。

三、主动对象模式的详细解释及实际示例

1. 实际示例：
   • 想象一个繁忙的餐厅，顾客向服务员下单。服务员不是亲自去厨房准备食物，而是将订单写在纸条上并交给调度员。调度员管理一组厨师，他们异步地准备饭菜。一旦有厨师空闲，他们就从队列中取出下一个订单，准备菜肴，并在准备好时通知服务员上菜。
   • 在这个类比中，服务员代表客户端线程，调度员代表调度程序，厨师代表在单独线程中的方法执行。这种设置允许服务员继续接受订单而不会被食物准备过程阻塞，就像主动对象模式将方法调用与执行解耦以提高并发性一样。
2. 通俗解释：
   • 主动对象模式将方法执行与方法调用解耦，以提高多线程应用程序的并发性和响应性。
3. 维基百科解释：
   • 主动对象设计模式将对象的方法执行与方法调用解耦，每个对象都有自己的控制线程。[1]其目标是通过使用异步方法调用和调度程序来处理请求，从而引入并发性。
   • 该模式由六个元素组成：
     • 代理，它为客户端提供具有公开可访问方法的接口。
     • 一个接口，它定义了对主动对象的方法请求。
     • 来自客户端的待处理请求列表。
     • 调度程序，它决定下一个要执行的请求。
     • 主动对象方法的实现。
     • 客户端接收结果的回调或变量。

四、Java 中主动对象模式的编程示例

本部分解释了主动对象设计模式在 Java 中的工作方式，重点介绍了它在异步任务管理和并发控制中的应用。

兽人以其野性和难以驯服的灵魂而闻名。从他们之前的行为来看，似乎他们有自己的控制线程。为了实现一个具有自己的控制机制线程并仅公开其 API 而不是执行本身的生物，我们可以使用主动对象模式。

public abstract class ActiveCreature {
    private final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(ActiveCreature.class.getName());
    private BlockingQueue<Runnable> requests;
    private String name;
    private Thread thread;
    public ActiveCreature(String name) {
        this.name = name;
        this.requests = new LinkedBlockingQueue<Runnable>();
        thread = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                while (true) {
                    try {
                        requests.take().run();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        logger.error(e.getMessage());
                    }
                }
            }
        }
        );
        thread.start();
    }
    public void eat() throws InterruptedException {
        requests.put(new Runnable() {
                         @Override
                         public void run() {
                             logger.info("{} is eating!", name());
                             logger.info("{} has finished eating!", name());
                         }
                     }
        );
    }
    public void roam() throws InterruptedException {
        requests.put(new Runnable() {
                         @Override
                         public void run() {
                             logger.info("{} has started to roam the wastelands.", name());
                         }
                     }
        );
    }
    public String name() {
        return this.name;
    }
}

可以看到，任何扩展ActiveCreature类的类都将拥有自己的控制线程来调用和执行方法。

例如，Orc类：

public class Orc extends ActiveCreature {
    public Orc(String name) {
        super(name);
    }
}

现在，我们可以创建多个生物，如兽人，告诉他们吃饭和漫游，他们将在自己的控制线程上执行：

public class App implements Runnable {
    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(App.class.getName());
    private static final int NUM_CREATURES = 3;
    public static void main(String[] args) {
        var app = new App();
        app.run();
    }
    @Override
    public void run() {
        List<ActiveCreature> creatures = new ArrayList<>();
        try {
            for (int i = 0; i < NUM_CREATURES; i++) {
                creatures.add(new Orc(Orc.class.getSimpleName() + i));
                creatures.get(i).eat();
                creatures.get(i).roam();
            }
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            logger.error(e.getMessage());
            Thread.currentThread().interrupt();
        } finally {
            for (int i = 0; i < NUM_CREATURES; i++) {
                creatures.get(i).kill(0);
            }
        }
    }
}

程序输出：

09:00:02.501 [Thread-0] INFO com.iluwatar.activeobject.ActiveCreature -- Orc0 is eating!
09:00:02.501 [Thread-2] INFO com.iluwatar.activeobject.ActiveCreature -- Orc2 is eating!
09:00:02.501 [Thread-1] INFO com.iluwatar.activeobject.ActiveCreature -- Orc1 is eating!
09:00:02.504 [Thread-0] INFO com.iluwatar.activeobject.ActiveCreature -- Orc0 has finished eating!
09:00:02.504 [Thread-1] INFO com.iluwatar.activeobject.ActiveCreature -- Orc1 has finished eating!
09:00:02.504 [Thread-0] INFO com.iluwatar.activeobject.ActiveCreature -- Orc0 has started to roam in the wastelands.
09:00:02.504 [Thread-2] INFO com.iluwatar.activeobject.ActiveCreature -- Orc2 has finished eating!
09:00:02.504 [Thread-1] INFO com.iluwatar.activeobject.ActiveCreature -- Orc1 has started to roam in the wastelands.
09:00:02.504 [Thread-2] INFO com.iluwatar.activeobject.ActiveCreature -- Orc2 has started to roam in the wastelands.

五、Java 中何时使用主动对象模式

在以下情况下使用 Java 中的主动对象模式：

1. 当需要处理异步任务而不阻塞主线程，以确保更好的性能和响应性时。
2. 当需要异步与外部资源交互时。
3. 当想要提高应用程序的响应性时。
4. 当需要以模块化和可维护的方式管理并发任务时。

七、Java 中主动对象模式的实际应用

1. 实时交易系统，其中交易请求被异步处理。
2. GUI 中，长时间运行的任务在后台执行而不会冻结用户界面。
3. 游戏编程中，用于处理对游戏状态或 AI 计算的并发更新。

八、主动对象模式的优点和权衡

了解在 Java 中使用主动对象模式的优点和权衡，包括提高线程安全性和潜在的开销问题。

优点：

1. 提高主线程的响应性。
2. 将并发问题封装在对象中。
3. 促进更好的代码组织和可维护性。
4. 提供线程安全性并避免共享状态访问问题。

权衡：

1. 由于消息传递和线程管理引入了额外的开销。
2. 可能不适用于所有类型的并发问题。

十一、源码下载

https://download.csdn.net/download/weixin_42545951/89677459

通过本文的介绍，相信大家对 Java 中的主动对象设计模式有了更深入的了解。在实际开发中，合理运用主动对象模式可以提高应用程序的性能和响应性，为构建高效的多线程应用程序提供有力支持。