本文主要讲解几种常见并行模式, 具体目录结构如下图.
单例
单例是最常见的一种设计模式, 一般用于全局对象管理, 比如xml配置读写之类的.
一般分为懒汉式, 饿汉式.
懒汉式: 方法上加synchronized
public static synchronized Singleton getInstance() {
if (single == null) {
single = new Singleton();
}
return single;
}
这种方式, 由于每次获取示例都要获取锁, 不推荐使用, 性能较差
懒汉式: 使用双检锁 + volatile
private volatile Singleton singleton = null;
public static Singleton getInstance() {
if (singleton == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
本方式是对直接在方法上加锁的一个优化, 好处在于只有第一次初始化获取了锁.
后续调用getInstance已经是无锁状态. 只是写法上稍微繁琐点.
至于为什么要volatile关键字, 主要涉及到jdk指令重排, 详见之前的博文: Java内存模型与指令重排
懒汉式: 使用静态内部类
public class Singleton {
private static class LazyHolder {
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
private Singleton (){}
public static final Singleton getInstance() {
return LazyHolder.INSTANCE;
}
}
该方式既解决了同步问题, 也解决了写法繁琐问题. 推荐使用改写法.
缺点在于无法响应事件来重新初始化INSTANCE.
饿汉式
public class Singleton1 {
private Singleton1() {}
private static final Singleton1 single = new Singleton1();
public static Singleton1 getInstance() {
return single;
}
}
缺点在于对象在一开始就直接初始化了.
Future模式
该模式的核心思想是异步调用. 有点类似于异步的ajax请求.
当调用某个方法时, 可能该方法耗时较久, 而在主函数中也不急于立刻获取结果.
因此可以让调用者立刻返回一个凭证, 该方法放到另外线程执行,
后续主函数拿凭证再去获取方法的执行结果即可, 其结构图如下
jdk中内置了Future模式的支持, 其接口如下:
通过FutureTask实现
注意其中两个耗时操作.
- 如果doOtherThing耗时2s, 则整个函数耗时2s左右.
- 如果doOtherThing耗时0.2s, 则整个函数耗时取决于RealData.costTime, 即1s左右结束.
public class FutureDemo1 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
FutureTask<String> future = new FutureTask<String>(new Callable<String>() {
@Override
public String call() throws Exception {
return new RealData().costTime();
}
});
ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
service.submit(future);
System.out.println("RealData方法调用完毕");
// 模拟主函数中其他耗时操作
doOtherThing();
// 获取RealData方法的结果
System.out.println(future.get());
}
private static void doOtherThing() throws InterruptedException {
Thread.sleep(2000L);
}
}
class RealData {
public String costTime() {
try {
// 模拟RealData耗时操作
Thread.sleep(1000L);
return "result";
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
return "exception";
}
}
通过Future实现
与上述FutureTask不同的是, RealData需要实现Callable接口.
public class FutureDemo2 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException, ExecutionException {
ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
Future<String> future = service.submit(new RealData2());
System.out.println("RealData2方法调用完毕");
// 模拟主函数中其他耗时操作
doOtherThing();
// 获取RealData2方法的结果
System.out.println(future.get());
}
private static void doOtherThing() throws InterruptedException {
Thread.sleep(2000L);
}
}
class RealData2 implements Callable<String>{
public String costTime() {
try {
// 模拟RealData耗时操作
Thread.sleep(1000L);
return "result";
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
return "exception";
}
@Override
public String call() throws Exception {
return costTime();
}
}
另外Future本身还提供了一些额外的简单控制功能, 其API如下
// 取消任务
boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
// 是否已经取消
boolean isCancelled();
// 是否已经完成
boolean isDone();
// 取得返回对象
V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
// 取得返回对象, 并可以设置超时时间
V get(long timeout, TimeUnit unit)
throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;
生产消费者模式
生产者-消费者模式是一个经典的多线程设计模式. 它为多线程间的协作提供了良好的解决方案。
在生产者-消费者模式中，通常由两类线程，即若干个生产者线程和若干个消费者线程。
生产者线程负责提交用户请求，消费者线程则负责具体处理生产者提交的任务。
生产者和消费者之间则通过共享内存缓冲区进行通信, 其结构图如下
PCData为我们需要处理的元数据模型, 生产者构建PCData, 并放入缓冲队列.
消费者从缓冲队列中获取数据, 并执行计算.
生产者核心代码
while(isRunning) {
Thread.sleep(r.nextInt(SLEEP_TIME));
data = new PCData(count.incrementAndGet);
// 构造任务数据
System.out.println(data + " is put into queue");
if (!queue.offer(data, 2, TimeUnit.SECONDS)) {
// 将数据放入队列缓冲区中
System.out.println("faild to put data : " + data);
}
}
消费者核心代码
while (true) {
PCData data = queue.take();
// 提取任务
if (data != null) {
// 获取数据, 执行计算操作
int re = data.getData() * 10;
System.out.println("after cal, value is : " + re);
Thread.sleep(r.nextInt(SLEEP_TIME));
}
}
生产消费者模式可以有效对数据解耦, 优化系统结构.
降低生产者和消费者线程相互之间的依赖与性能要求.
一般使用BlockingQueue作为数据缓冲队列, 他是通过锁和阻塞来实现数据之间的同步,
如果对缓冲队列有性能要求, 则可以使用基于CAS无锁设计的ConcurrentLinkedQueue.
分而治之
严格来讲, 分而治之不算一种模式, 而是一种思想.
它可以将一个大任务拆解为若干个小任务并行执行, 提高系统吞吐量.
我们主要讲两个场景, Master-Worker模式, ForkJoin线程池.
Master-Worker模式
该模式核心思想是系统由两类进行协助工作: Master进程, Worker进程.
Master负责接收与分配任务, Worker负责处理任务. 当各个Worker处理完成后,
将结果返回给Master进行归纳与总结.
假设一个场景, 需要计算100个任务, 并对结果求和, Master持有10个子进程.
Master代码
public class MasterDemo {
// 盛装任务的集合
private ConcurrentLinkedQueue<TaskDemo> workQueue = new ConcurrentLinkedQueue<TaskDemo>();
// 所有worker
private HashMap<String, Thread> workers = new HashMap<>();
// 每一个worker并行执行任务的结果
private ConcurrentHashMap<String, Object> resultMap = new ConcurrentHashMap<>();
public MasterDemo(WorkerDemo worker, int workerCount) {
// 每个worker对象都需要持有queue的引用, 用于领任务与提交结果
worker.setResultMap(resultMap);
worker.setWorkQueue(workQueue);
for (int i = 0; i < workerCount; i++) {
workers.put("子节点: " + i, new Thread(worker));
}
}
// 提交任务
public void submit(TaskDemo task) {
workQueue.add(task);
}
// 启动所有的子任务
public void execute(){
for (Map.Entry<String, Thread> entry : workers.entrySet()) {
entry.getValue().start();
}
}
// 判断所有的任务是否执行结束
public boolean isComplete() {
for (Map.Entry<String, Thread> entry : workers.entrySet()) {
if (entry.getValue().getState() != Thread.State.TERMINATED) {
return false;
}
}
return true;
}
// 获取最终汇总的结果
public int getResult() {
int result = 0;
for (Map.Entry<String, Object> entry : resultMap.entrySet()) {
result += Integer.parseInt(entry.getValue().toString());
}
return result;
}
}
Worker代码
public class WorkerDemo implements Runnable{
private ConcurrentLinkedQueue<TaskDemo> workQueue;
private ConcurrentHashMap<String, Object> resultMap;
@Override
public void run() {
while (true) {
TaskDemo input = this.workQueue.poll();
// 所有任务已经执行完毕
if (input == null) {
break;
}
// 模拟对task进行处理, 返回结果
int result = input.getPrice();
this.resultMap.put(input.getId() + "", result);
System.out.println("任务执行完毕, 当前线程: " + Thread.currentThread().getName());
}
}
public ConcurrentLinkedQueue<TaskDemo> getWorkQueue() {
return workQueue;
}
public void setWorkQueue(ConcurrentLinkedQueue<TaskDemo> workQueue) {
this.workQueue = workQueue;
}
public ConcurrentHashMap<String, Object> getResultMap() {
return resultMap;
}
public void setResultMap(ConcurrentHashMap<String, Object> resultMap) {
this.resultMap = resultMap;
}
}
public class TaskDemo {
private int id;
private String name;
private int price;
public int getId() {
return id;
}
public void setId(int id) {
this.id = id;
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public int getPrice() {
return price;
}
public void setPrice(int price) {
this.price = price;
}
}
主函数测试
MasterDemo master = new MasterDemo(new WorkerDemo(), 10);
for (int i = 0; i < 100; i++) {
TaskDemo task = new TaskDemo();
task.setId(i);
task.setName("任务" + i);
task.setPrice(new Random().nextInt(10000));
master.submit(task);
}
master.execute();
while (true) {
if (master.isComplete()) {
System.out.println("执行的结果为: " + master.getResult());
break;
}
}
ForkJoin线程池
该线程池是jdk7之后引入的一个并行执行任务的框架, 其核心思想也是将任务分割为子任务,
有可能子任务还是很大, 还需要进一步拆解, 最终得到足够小的任务.
将分割出来的子任务放入双端队列中, 然后几个启动线程从双端队列中获取任务执行.
子任务执行的结果放到一个队列里, 另起线程从队列中获取数据, 合并结果.
假设我们的场景需要计算从0到20000000L的累加求和. CountTask继承自RecursiveTask, 可以携带返回值.
每次分解大任务, 简单的将任务划分为100个等规模的小任务, 并使用fork()提交子任务.
在子任务中通过THRESHOLD设置子任务分解的阈值, 如果当前需要求和的总数大于THRESHOLD, 则子任务需要再次分解,
如果子任务可以直接执行, 则进行求和操作, 返回结果. 最终等待所有的子任务执行完毕, 对所有结果求和.
public class CountTask extends RecursiveTask<Long>{
// 任务分解的阈值
private static final int THRESHOLD = 10000;
private long start;
private long end;
public CountTask(long start, long end) {
this.start = start;
this.end = end;
}
public Long compute() {
long sum = 0;
boolean canCompute = (end - start) < THRESHOLD;
if (canCompute) {
for (long i = start; i <= end; i++) {
sum += i;
}
} else {
// 分成100个小任务
long step = (start + end) / 100;
ArrayList<CountTask> subTasks = new ArrayList<CountTask>();
long pos = start;
for (int i = 0; i < 100; i++) {
long lastOne = pos + step;
if (lastOne > end) {
lastOne = end;
}
CountTask subTask = new CountTask(pos, lastOne);
pos += step + 1;
// 将子任务推向线程池
subTasks.add(subTask);
subTask.fork();
}
for (CountTask task : subTasks) {
// 对结果进行join
sum += task.join();
}
}
return sum;
}
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
ForkJoinPool pool = new ForkJoinPool();
// 累加求和 0 -> 20000000L
CountTask task = new CountTask(0, 20000000L);
ForkJoinTask<Long> result = pool.submit(task);
System.out.println("sum result : " + result.get());
}
}
ForkJoin线程池使用一个无锁的栈来管理空闲线程, 如果一个工作线程暂时取不到可用的任务, 则可能被挂起.
挂起的线程将被压入由线程池维护的栈中, 待将来有任务可用时, 再从栈中唤醒这些线程.
