常用的并发设计模式

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一、终止线程的设计模式

思考:在一个线程 T1 中如何正确安全的终止线程 T2?

错误思路1:使用线程对象的 stop() 方法停止线程, stop 方法会真正杀死线程,如果这时线程锁住了共享资源,那么当它被杀死后就再也没有机会释放锁, 其它线程将永远无法获取锁 。

错误思路2:使用 System.exit(int) 方法停止线程目的仅是停止一个线程,但这种做法会让整个程序都停止。

正确思路:利用Java线程的中断机制。

二、Two-phase Termination(两阶段终止)模式

优雅的终止线程:将终止过程分成两个阶段,其中第一个阶段主要是线程 T1 向线程 T2发送终止指令,而第二阶段则是线程 T2响应终止指令。

Java 线程进入终止状态的前提是线程进入 RUNNABLE 状态,RUNNABLE 状态转换到终止状态,优雅的方式是让 Java 线程自己执行完 run() 方法,所以一般我们采用的方法是设置一个标志位,然后线程会在合适的时机检查这个标志位,如果发现符合终止条件,则自动退出 run() 方法。

两阶段终止模式是一种应用很广泛的并发设计模式,在 Java 语言中使用两阶段终止模式来优雅地终止线程,需要注意两个关键点:一个是仅检查终止标志位是不够的,因为线程的状态可能处于休眠态;另一个是仅检查线程的中断状态也是不够的,因为我们依赖的第三方类库很可能没有正确处理中断异常,例如第三方类库在捕获到 Thread.sleep() 方法抛出的中断异常后,没有重新设置线程的中断状态,那么就会导致线程不能够正常终止。所以我们可以自定义线程的终止标志位用于终止线程。

三、避免共享的设计模式

Immutability模式Copy-on-Write模式Thread-Specific Storage模式本质上都是为了避免共享。

  • 使用时需要注意Immutability模式的属性的不可变性。
  • Copy-on-Write模式需要注意拷贝的性能问题。
  • Thread-Specific Storage模式需要注意异步执行问题。

1、Immutability模式

Immutability模式—,想破坏也破坏不了,“多个线程同时读写同一共享变量存在并发问题”,这里的必要条件之一是读写,如果只有读,而没有写,是没有并发问题的。解决并发问题,其实最简单的办法就是让共享变量只有读操作,而没有写操作。这个办法如此重要,以至于被上升到了一种解决并发问题的设计模式:不变性(Immutability)模式。所谓不变性,简单来讲,就是对象一旦被创建之后,状态就不再发生变化。换句话说,就是变量一旦被赋值,就不允许修改了(没有写操作);没有修改操作,也就是保持了不变性。

如何实现:将一个类所有的属性都设置成 final 的,并且只允许存在只读方法,那么这个类基本上就具备不可变性了。更严格的做法是这个类本身也是 final 的,也就是不允许继承。

2、Copy-on-Write模式

Java 里 String 在实现 replace() 方法的时候,并没有更改原字符串里面 value[] 数组的内容,而是创建了一个新字符串,这种方法在解决不可变对象的修改问题时经常用到。它本质上是一种 Copy-on-Write 方法。所谓 Copy-on-Write,经常被缩写为 COW 或者 CoW,顾名思义就是写时复制。

不可变对象的写操作往往都是使用 Copy-on-Write 方法解决的,当然 Copy-on-Write 的应用领域并不局限于 Immutability 模式。

Copy-on-Write 缺点就是消耗内存,每次修改都需要复制一个新的对象出来,好在随着自动垃圾回收(GC)算法的成熟以及硬件的发展,这种内存消耗已经渐渐可以接受了。所以在实际工作中,如果写操作非常少(读多写少的场景),可以尝试使用 Copy-on-Write。

应用场景:像一些RPC框架还有服务注册中心,也会利用Copy-on-Write设计思想维护服务路由表。路由表是典型的读多写少,而且路由表对数据的一致性要求并不高,一个服务提供方从上线到反馈到客户端的路由表里,即便有 5 秒钟延迟,很多时候也都是能接受的。

3、Thread-Specific Storage 模式

Thread-Specific Storage(线程本地存储) 模式是一种即使只有一个入口,也会在内部为每个线程分配特有的存储空间的模式。在 Java 标准类库中,ThreadLocal 类实现了该模式。

线程本地存储模式本质上是一种避免共享的方案,由于没有共享,所以自然也就没有并发问题。如果你需要在并发场景中使用一个线程不安全的工具类,最简单的方案就是避免共享。避免共享有两种方案,一种方案是将这个工具类作为局部变量使用,另外一种方案就是线程本地存储模式。这两种方案,局部变量方案的缺点是在高并发场景下会频繁创建对象,而线程本地存储方案,每个线程只需要创建一个工具类的实例,所以不存在频繁创建对象的问题。