37 | 设计模式模块热点问题答疑

王宝令 2019-05-23

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讲述：王宝令大小：6.45M时长：07:02

多线程设计模式是前人解决并发问题的经验总结，当我们试图解决一个并发问题时，首选方案往往是使用匹配的设计模式，这样能避免走弯路。同时，由于大家都熟悉设计模式，所以使用设计模式还能提升方案和代码的可理解性。

在这个模块，我们总共介绍了 9 种常见的多线程设计模式。下面我们就对这 9 种设计模式做个分类和总结，同时也对前面各章的课后思考题做个答疑。

避免共享的设计模式

Immutability 模式、Copy-on-Write 模式和线程本地存储模式本质上都是为了避免共享，只是实现手段不同而已。这 3 种设计模式的实现都很简单，但是实现过程中有些细节还是需要格外注意的。例如，使用 Immutability 模式需要注意对象属性的不可变性，使用 Copy-on-Write 模式需要注意性能问题，使用线程本地存储模式需要注意异步执行问题。所以，每篇文章最后我设置的课后思考题的目的就是提醒你注意这些细节。

《28 | Immutability 模式：如何利用不变性解决并发问题？》的课后思考题是讨论 Account 这个类是不是具备不可变性。这个类初看上去属于不可变对象的中规中矩实现，而实质上这个实现是有问题的，原因在于 StringBuffer 不同于 String，StringBuffer 不具备不可变性，通过 getUser() 方法获取 user 之后，是可以修改 user 的。一个简单的解决方案是让 getUser() 方法返回 String 对象。

public final class Account{

private final

  1. StringBuffer user;

public Account(String user){

  1. this.user =
  3.   new StringBuffer(user);

}

//返回的StringBuffer并不具备不可变性

public StringBuffer getUser(){

  1. return this.user;

}

public String toString(){

  1. return "user"+user;

}

}

《29 | Copy-on-Write 模式：不是延时策略的 COW》的课后思考题是讨论 Java SDK 中为什么没有提供 CopyOnWriteLinkedList。这是一个开放性的问题，没有标准答案，但是性能问题一定是其中一个很重要的原因，毕竟完整地复制 LinkedList 性能开销太大了。

《30 | 线程本地存储模式：没有共享，就没有伤害》的课后思考题是在异步场景中，是否可以使用 Spring 的事务管理器。答案显然是不能的，Spring 使用 ThreadLocal 来传递事务信息，因此这个事务信息是不能跨线程共享的。实际工作中有很多类库都是用 ThreadLocal 传递上下文信息的，这种场景下如果有异步操作，一定要注意上下文信息是不能跨线程共享的。

多线程版本 IF 的设计模式

Guarded Suspension 模式和 Balking 模式都可以简单地理解为“多线程版本的 if”，但它们的区别在于前者会等待 if 条件变为真，而后者则不需要等待。

Guarded Suspension 模式的经典实现是使用管程，很多初学者会简单地用线程 sleep 的方式实现，比如《31 | Guarded Suspension 模式：等待唤醒机制的规范实现》的思考题就是用线程 sleep 方式实现的。但不推荐你使用这种方式，最重要的原因是性能，如果 sleep 的时间太长，会影响响应时间；sleep 的时间太短，会导致线程频繁地被唤醒，消耗系统资源。

同时，示例代码的实现也有问题：由于 obj 不是 volatile 变量，所以即便 obj 被设置了正确的值，执行 while(!p.test(obj)) 的线程也有可能看不到，从而导致更长时间的 sleep。

//获取受保护对象

T get(Predicate p) {

try {

  1. //obj的可见性无法保证
  3. while(!p.test(obj)){
  5.   TimeUnit.SECONDS
  7.     .sleep(timeout);
  9. }

}catch(InterruptedException e){

  1. throw new RuntimeException(e);

}

//返回非空的受保护对象

return obj;

}

//事件通知方法

void onChanged(T obj) {

this.obj = obj;

}

实现 Balking 模式最容易忽视的就是竞态条件问题。比如，《32 | Balking 模式：再谈线程安全的单例模式》的思考题就存在竞态条件问题。因此，在多线程场景中使用 if 语句时，一定要多问自己一遍：是否存在竞态条件。

class Test{

volatile boolean inited = false;

int count = 0;

void init(){

  1. //存在竞态条件
  3. if(inited){
  5.   return;
  7. }
  9. //有可能多个线程执行到这里
  11. inited = true;
  13. //计算count的值
  15. count = calc();

}

}

三种最简单的分工模式

Thread-Per-Message 模式、Worker Thread 模式和生产者 - 消费者模式是三种最简单实用的多线程分工方法。虽说简单，但也还是有许多细节需要你多加小心和注意。

Thread-Per-Message 模式在实现的时候需要注意是否存在线程的频繁创建、销毁以及是否可能导致 OOM。在《33 | Thread-Per-Message 模式：最简单实用的分工方法》文章中，最后的思考题就是关于如何快速解决 OOM 问题的。在高并发场景中，最简单的办法其实是限流。当然，限流方案也并不局限于解决 Thread-Per-Message 模式中的 OOM 问题。

Worker Thread 模式的实现，需要注意潜在的线程死锁问题。《34 | Worker Thread 模式：如何避免重复创建线程？》思考题中的示例代码就存在线程死锁。有名叫 vector 的同学关于这道思考题的留言，我觉得描述得很贴切和形象：“工厂里只有一个工人，他的工作就是同步地等待工厂里其他人给他提供东西，然而并没有其他人，他将等到天荒地老，海枯石烂！”因此，共享线程池虽然能够提供线程池的使用效率，但一定要保证一个前提，那就是：任务之间没有依赖关系。

ExecutorService pool = Executors

.newSingleThreadExecutor();

//提交主任务

pool.submit(() -> {

try {

  1. //提交子任务并等待其完成，
  3. //会导致线程死锁
  5. String qq=pool.submit(()->"QQ").get();
  7. System.out.println(qq);

} catch (Exception e) {

}

});

Java 线程池本身就是一种生产者 - 消费者模式的实现，所以大部分场景你都不需要自己实现，直接使用 Java 的线程池就可以了。但若能自己灵活地实现生产者 - 消费者模式会更好，比如可以实现批量执行和分阶段提交，不过这过程中还需要注意如何优雅地终止线程，《36 | 生产者 - 消费者模式：用流水线思想提高效率》的思考题就是关于此的。

如何优雅地终止线程？我们在《35 | 两阶段终止模式：如何优雅地终止线程？》有过详细介绍，两阶段终止模式是一种通用的解决方案。但其实终止生产者 - 消费者服务还有一种更简单的方案，叫做“毒丸”对象。《Java 并发编程实战》第 7 章的 7.2.3 节对“毒丸”对象有过详细的介绍。简单来讲，“毒丸”对象是生产者生产的一条特殊任务，然后当消费者线程读到“毒丸”对象时，会立即终止自身的执行。

下面是用“毒丸”对象终止写日志线程的具体实现，整体的实现过程还是很简单的：类 Logger 中声明了一个“毒丸”对象 poisonPill ，当消费者线程从阻塞队列 bq 中取出一条 LogMsg 后，先判断是否是“毒丸”对象，如果是，则 break while 循环，从而终止自己的执行。

class Logger {

//用于终止日志执行的“毒丸”

final LogMsg poisonPill =

  1. new LogMsg(LEVEL.ERROR, "");

//任务队列

final BlockingQueue bq

  1. = new BlockingQueue<>();

//只需要一个线程写日志

ExecutorService es =

  1. Executors.newFixedThreadPool(1);

//启动写日志线程

void start(){

  1. File file=File.createTempFile(
  3.   "foo", ".log");
  5. final FileWriter writer=
  7.   new FileWriter(file);
  9. this.es.execute(()->{
  11.   try {
  13.     while (true) {
  15.       LogMsg log = bq.poll(
  17.         5, TimeUnit.SECONDS);
  19.       //如果是“毒丸”，终止执行
  21.       if(poisonPill.equals(logMsg)){
  23.         break;
  25.       }
  27.       //省略执行逻辑
  29.     }
  31.   } catch(Exception e){
  33.   } finally {
  35.     try {
  37.       writer.flush();
  39.       writer.close();
  41.     }catch(IOException e){}
  43.   }
  45. });

}

//终止写日志线程

public void stop() {

  1. //将“毒丸”对象加入阻塞队列
  3. bq.add(poisonPill);
  5. es.shutdown();

}

}

总结

到今天为止，“并发设计模式”模块就告一段落了，多线程的设计模式当然不止我们提到的这 9 种，不过这里提到的这 9 种设计模式一定是最简单实用的。如果感兴趣，你也可以结合《图解 Java 多线程设计模式》这本书来深入学习这个模块，这是一本不错的并发编程入门书籍，虽然重点是讲解设计模式，但是也详细讲解了设计模式中涉及到的方方面面的基础知识，而且深入浅出，非常推荐入门的同学认真学习一下。

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