【Java】多线程案例(单例模式，阻塞队列，定时器，线程池)

news2025/7/27 20:47:01

❤️ Author： 老九
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😍 系列专栏：

文章目录

  • 实现安全版本的单例模式
    • 饿汉模式
      • 类和对象的概念
      • 类对象
      • 类的静态成员与实例成员
    • 懒汉模式
      • 如何保证懒汉模式的线程安全
  • 阻塞队列
    • 让多个服务器之间充分解耦
    • 能让请求进行 "削峰填谷"
      • 标准库中的阻塞队列
      • 自己实现阻塞队列
  • 定时器
    • 标准库计时器
  • 线程池
    • 用户态和内核态
    • 标准的线程池库

实现安全版本的单例模式

  • 单例模式是设计模式之一。代码当中的某个类，只能有一个实例，不能有多个。单例模式分为：饿汉模式和懒汉模式

饿汉模式

饿汉模式表示很着急，就想吃完饭剩下很多碗，然后一次性把碗全洗了。就是比较着急的去创建实例。用static来创建实例，利用在类加载时初始化，只有一份拷贝存在于内存中的特性实现单例模式，并且立即进行实例化。下面代码中的instance对应的实例，就是该类唯一的实例：

class Singleton{
    public static Singleton instance = new Singleton();
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance(){
        return instance;
    }
}

public class Example{
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2);
    }
}

为了防止程序员在其他地方不小心new这个Singleton，于是把构造方法设为private了

类和对象的概念

类是对象的模板，描述了对象的行为和状态。
对象是类的实例，它是在内存中分配的实体，具有实际的属性和行为。

类对象

在Java中，每个类在加载到内存后，都会有一个对应的类对象。这个类对象存储了类的相关信息，包括类的名称、方法、属性等。
类对象是Java虚拟机（JVM）在运行时对类的抽象表示。

类的静态成员与实例成员

静态成员（类属性/类方法）是与类关联的，而不是与类的实例相关联的。它们在类加载时初始化，并且只有一份拷贝存在于内存中，被所有类的实例共享。
实例成员（实例属性/实例方法）是与类的实例相关联的，每个类的实例都有自己的一份实例成员。

懒汉模式

懒汉模式主要是，不立即初始化实例，只有在被调用的时候，才会创建实例

如何保证懒汉模式的线程安全

加锁，把创建实例的代码加锁就可以了，加锁的时候，可以直接指定类对象.class作为锁对象。加锁之后，线程安全问题得到了解决，但是又有了新的问题。在多线程调用获取信息的时候，可能涉及到读和修改，但是一旦实例被初始化之后，就只剩读操作了。

class Singleton{
    private static volatile Singleton instance = null;
    private Singleton(){}
    public static Singleton getInstance(){
        if(instance == null){
            synchronized (Singleton.class){
                if(instance == null){
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }
        return instance;
    }
}

public class Example{
    public static void main(String[] args) {
        Singleton instance = Singleton.getInstance();
        Singleton instance2 = Singleton.getInstance();
        System.out.println(instance == instance2);
    }
}

为什么要两次判断： 因为在并发环境中，多个线程可能会同时通过第一次检查，此时可能会出现多个线程都创建实例的情况。第二次检查可以确保只有一个线程能够创建实例，保证了单例模式的唯一性。
为什么需要加volatile： 因为如果有多个线程的话，都去读getInstance就可能导致内存可见性的问题，所以需要加上volatile来避免内存可见性问题
和饿汉模式的区别就是，懒汉模式只有在使用的时候，才会创建实例，饿汉模式在类加载的时候就会创建实例。

阻塞队列

队列的特性是先进先出，相对于普通队列，阻塞队列又有其他方面的功能：

  1. 线程安全
  2. 产生阻塞效果：
    a. 如果队列为空，尝试出队列，就会出现阻塞，阻塞到队列不为空为止。
    b. 如果队列为满，尝试入队列，就会出现阻塞，阻塞到队列不为满为止。

通过上面这种特性，就可以实现 “生产者消费者模型” 。就像我们烤串，有人烤，有人吃，然后烤好的放在烤盘上面。对于吃烤串来说，烤盘就是交易场所。此处的阻塞队列就可以作为生产者消费者模型当中的交易场所。

让多个服务器之间充分解耦

生产者消费者模型，是实际开发当中非常有用的一种多线程开发手段，尤其是在服务器开发场景当中。假设有两个服务器 A 和 B，A 作为入口服务器直接接受用户的网络请求，B 作为应用服务器，来给 A 提供一些数据。如图：
在这里插入图片描述
如果不使用生产者消费者模型，此时 A 和 B 的耦合性是比较强的。在开发 A 代码的时候，就得充分了解到 B 提供的一些接口，开发 B 代码的时候，也得充分了解到 A 是怎么调用的。一旦想把 B 换成 C ，A 的代码就需要较大的改动。而且如果 B 挂了，也可能直接导致 A 也顺带挂了。
使用生产者消费者模型，就可以降低这里的耦合，就像这样：
在这里插入图片描述

能让请求进行 “削峰填谷”

未使用生产者消费者模型的时候，如果请求量突然暴涨。A 暴涨=> B 暴涨，A 作为入口服务器，计算量较小，不会产生问题。B 作为应用服务器，计算量可能很大，需要的系统资源也更多，如果请求更大了，就可能导致程序挂了。如图：
在这里插入图片描述
如果使用阻塞队列的话，A 的请求暴涨 => 阻塞队列的请求暴涨，由于阻塞队列没啥计算量，只是存数据，所以抗压能力就更强。B 这边依然按照原来的速度进行处理数据，就不会受到 A 的暴涨。所以就不会引起崩溃。也就是 “削峰”。这种峰值很多时候不是持续的，过去之后就恢复了。B 仍然是按照原有的频率来处理之前积压的数据，就是 “填谷” 。
实际开发当中：阻塞队列不是一个简单的数据结构了，而是一个/一组专门的服务器程序，提供的功能不仅仅是队列阻塞。还会在这些基础上面提供更多的功能（数据持久化存储，多个数据通道，多节点备份，支持控制面板，方便配置参数），又叫”消息队列“。

标准库中的阻塞队列

通过 BlockingQueue 来实现阻塞队列，代码如下：

public class Example{
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        BlockingDeque<String> stringBlockingDeque = new LinkedBlockingDeque<>();
        //入队
        stringBlockingDeque.put("hello");
        //出队
        String s = stringBlockingDeque.take();
        System.out.println(s);
    }
}

自己实现阻塞队列

1.先实现一个普通队列（通过数组来实现）
2.再加上线程安全
3.再加上阻塞
实现一个普通队列：
在这里插入图片描述
出队列就是把 head 位置的元素返回去，并且 head++。当 tail 加满的时候，就回到队列头。所以重要的就是区别空队列和满队列。所以我们创建一个变量来记录元素的个数：size == 0 就是空，size == arr.length 就是满。
保证线程安全：
1.在多线程环境下，使用入队和出队没有问题。
2.入队和出队的代码是属于公共操作变量，所有给整个方法加锁。
实现阻塞效果：
通过使用 wait 和 notify 机制来实现阻塞效果。
对于 入队 来说：就是队列为满。
对于 出队 来说：就是队列为空。
代码如下 ：

class MyBlockQueue{
    private int[] data = new int[1000];
    private int size = 0;
    private int head = 0;
    private int tail = 0;
    private Object locker = new Object();
    //入队列
    public void put(int value) throws InterruptedException {
        synchronized (locker){
            if(size == data.length){
                //put 当中的 wait 要由 take 来唤醒，只要 take 成功一个元素，就可以唤醒了
                locker.wait();
            }
            //队列不满，把新的元素放入 tail 位置上
            data[tail] = value;
            tail++;
            //处理 tail 到达数组末尾的情况
            if(tail >= data.length){
                tail = 0;
            }
            size++;
            locker.notify();
        }
    }
    //出队列
    public Integer take() throws InterruptedException {
        synchronized (locker){
            if(size == 0){
                //说明队列为空，就需要等待，就需要 put 来唤醒
                locker.wait();
            }
            int ret = data[head];
            head++;
            if(head >= data.length){
                head = 0;
            }
            size--;
            //就说明 take 成功了。然后唤醒 put 中的等待。
            locker.notify();
            return ret;
        }
    }
}
 public class Example{
    private static MyBlockQueue queue = new MyBlockQueue();
     public static void main(String[] args) {
         //如果有多个生产者和多个消费者，就再多创建几个线程
         Thread producer = new Thread(()->{
             int num = 0 ;
             while(true){
                 try{
                     System.out.println("生产了："+num);
                     queue.put(num);
                     num++;
                 }catch (InterruptedException e){
                     e.printStackTrace();
                 }
             }
         });
         producer.start();

         Thread customer = new Thread(()->{
            while(true){
                int num = 0;
                try{
                    num = queue.take();
                    System.out.println("消费了："+num);
                    //消费慢，但是可以一直生产。1000 之后，队列满了，所以就阻塞了。直到消费了一个。
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                   e.printStackTrace();
                }
            }
         });
         customer.start();
     }
 }

在这里插入图片描述
put和take的相互唤醒之间的关系如下：
在这里插入图片描述

定时器

像一个闹钟，在一定时间之后，被唤醒并执行某个之前设定好的任务。

标准库计时器

通过Timer的schedule任务来设计任务计划，Timer内部有专门的线程，来负责执行注册的任务，所以执行完后，并不会马上退出线程，即使所有计划中的任务都已执行完毕，这个内部线程也不会立即结束。它会继续运行，等待其他可能的任务或直到显式地被取消。

public static void main(String[] args) {
    Timer timer = new Timer();
    timer.schedule(new TimerTask() {
        @Override
        public void run() {
            System.out.println("Hello Timer");
        }
    }, 3000);//就是在 3 秒之后执行这个任务，
    System.out.println("main");
}

在这里插入图片描述
线程并没有结束，因为 Timer 内部有专门的线程，来负责执行注册的任务的。

线程池

因为进程比较重，频繁的创建和销毁，开销就会大，解决方法：进程池 or 线程：
线程：虽然比进程轻了，但是如果创建和销毁的频率进一步增加，发现开销还是有的，解决方案：线程池 or 协程。
线程池：把线程提前创建好，放到池子里，需要的话，就从池子里取。不用的话，就放回池子里，下次备用。这样创建销毁线程，速度就快了。

用户态和内核态

操作系统中的用户态和内核态。操作系统软件结构图：
在这里插入图片描述
1.我们写的代码就是在最上面的应用程序这一层来运行的，这里的代码被称为”用户态“运行的代码
2.当应用程序需要执行一些底层操作，例如文件访问，网络通信，线程管理等，就需要调用操作系统中提供的API。这些API的内部实现会在内核态运行，这是操作系统的核心部分
3.创建线程的本身就需要内核的支持，创建线程的本质是在内核中搞个 PCB 加到链表里，调用 Thread.start 归根结底，也是要进入内核态来运行
4.线程池是一种高级的编程工具，通常是在用户态实现的。线程池中的线程被预先创建并保留在池中，而不需要频繁地创建和销毁线程。从线程池中获取线程执行任务时，这个过程是在用户态中完成的，不需要涉及到内核态。这提高了效率，因为避免了频繁的内核态切换。
5.一般来说，执行在用户态的操作比需要进入内核态的操作更高效，因为内核态切换会涉及到更多的开销和复杂性。因此，尽量减少进入内核态的操作对于提高程序性能是有益的。
6.线程池里面的线程，一直保存在里面，不会被内核回收。

标准的线程池库

ThreadPoolExecutor 是标准库的线程池，构造方法有很多参数：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
最重要的还是这两个参数，就是需要指定多少个线程，可以通过性能测试判断出最合适的核心线程数和最大线程数：
在这里插入图片描述

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