Java并发编程中的设计模式解析(一)

Java并发编程，除了被用于各种Web应用、分布式系统和大数据系统，构成高并发系统的核心基础外，其本身也蕴含着大量的设计模式思想在里面。这一系列文章主要是结合Java源码，对并发编程中使用到的、实现的各类设计模式做归纳总结，以便进一步沉淀对Java并发设计的理解。

模板设计模式

Thread类中run和start方法，就是一个典型的模板设计模式的实现，即：父类定义算法逻辑代码，子类实现其细节。

 public synchronized void start() {
         /**
          * 线程对象新建后的New状态，其内部thereadStatus属性为0
          */
         if (threadStatus != 0)
             throw new IllegalThreadStateException();

         /* 同时会被添加到一个ThreadGroup */
         group.add(this);

         boolean started = false;
         //调用JNI方法start0()来启动线程
         try {
             start0();
             started = true;
         } finally {
         //线程结束之后，再次启动将抛出异常
             try {
                 if (!started) {
                     group.threadStartFailed(this);
                 }
             } catch (Throwable ignore) {
                 /* do nothing. If start0 threw a Throwable then
                   it will be passed up the call stack */
             }
         }
     }

下面以一个例子演示模板模式：

public class TemplateMethod {
    //相当于Thread类的start方法, 用final修饰避免被更改
    public final void print(String message) {
        System.out.println("-------------");
        wrapPrint(message);
        System.out.println("-------------");
    }
    //相当于Thread的run方法, 用protected修饰限于子类重写
    protected void wrapPrint(String message) {

    }

    public static void main(String[] args) {
        //通过匿名内部子类, 重写父类的wrapPrint方法, 从而实现不同的输出模板
        TemplateMethod t1 = new TemplateMethod() {
            @Override
            protected void wrapPrint(String message) {
                System.out.println("111" + message + "111");
            }
        };
        t1.print("Hello World!");

        TemplateMethod t2 = new TemplateMethod() {
            @Override
            protected void wrapPrint(String message) {
                System.out.println("222" + message + "222");
            }
        };
        t2.print("Hello World!");
    }
}

策略模式

创建Java多线程中，实现Runnable接口作为Target并传入Thread类的构造方法来生成线程对象的过程，就体现了GoF中策略模式的设计思想。下面是一个简单的示例：

首先，仿照Runnable接口的思想，定义一个用于处理数据库行的接口

 /*
  * RowHandler定义了对数据库查询返回结果操作的方法, 具体实现需要
  * 实现类完成, 类似于Runnable接口
  */
 public interface RowHandler<T> {
     T handle(ResultSet rs);
 }

然后，仿照Thread方法，定义数据库查询的工作类

 public class RecordQuery  {

     private final Connection connection;

     public RecordQuery(Connection connection) {
         this.connection = connection;
     }
     //方法中传入RowHandler的实现类
     public <T> T query(RowHandler<T> handler, String sql, Object... params) throws SQLException {
             PreparedStatement stmt;
             ResultSet resultSet;
             stmt = connection.prepareStatement(sql);
             int index = 1;
             for (Object param : params) {
                 stmt.setObject(index++, param);
             }
             resultSet = stmt.executeQuery();
             //调用实现类的handle方法来处理数据
             return handler.handle(resultSet);
     }
 }

生产者-消费者模式

生产者-消费者模式是使用Java并发编程通信所实现的经典模式之一。该模式是通过队列这一数据结构来存储对象元素，由多线程分别充当生产者和消费者，生产者不断生成元素、消费者不断消费元素的过程。下面通过代码来演示：

实现一个带有入队和出队的队列

 /*
  * 通过一个生产者-消费者队列来说明线程通信的基本使用方法
  */
 public class EventQueue {
     //定义一个队列元素数量, 一旦赋值则不可更改
     private final int max;
     //定义一个空的内部类, 代表存储元素
     static class Event{        }
     //定义一个不可改的链表集合, 作为队列载体
     private final LinkedList<Event> eventQueue = new LinkedList<>();
     //如果不指定初始容量, 则容量默认为10
     private final static int DEFAULT_MAX_EVENT = 10;
     //使用自定义容量初始化队列
     public EventQueue(int max) {
         this.max = max;
     }
     //如果不指定初始容量, 则容量默认为10
     public EventQueue() {
         this(DEFAULT_MAX_EVENT);
     }
     //封装一个输出到控制台的方法
     private void console(String message) {
         System.out.printf("%s:%s\n",Thread.currentThread().getName(), message);
     }
     //定义入队方法
     public void offer(Event event) {
         //使用链表对象作为锁, 通过synchronized代码块实现同步
         synchronized(eventQueue) {
             //在循环中判断如果队列已满, 则调用锁的wait方法, 使生产者线程阻塞
             while(eventQueue.size() >= max) {
                 try {
                     console(" the queue is full");
                     eventQueue.wait();
                 } catch (InterruptedException e) {
                     e.printStackTrace();
                 }
             }
             console(" the new event is submitted");
             eventQueue.addLast(event);
             //唤醒所有等待中的消费者;注意如果此处使用notify(),可能导致线程不安全
             this.eventQueue.notifyAll();
         }
     }
     //定义出队方法
     public Event take() {
         //使用链表对象作为锁
         synchronized(eventQueue) {
             //在循环中判断如果队列已空, 则调用锁的wait方法, 使消费者线程阻塞
             while(eventQueue.isEmpty()) {
                 try {
                     console(" the queue is empty.");
                     eventQueue.wait();
                 } catch (InterruptedException e) {
                     e.printStackTrace();
                 }
             }
             Event event = eventQueue.removeFirst();
             //唤醒所有等待中的生产者;注意如果此处使用notify(),可能导致线程不安全
             this.eventQueue.notifyAll();
             console(" the event " + event + " is handled/taked.");
             return event;
         }
     }
 }

验证该队列的类

 /*
  * producer/client pattern
  */
 public class EventClient {

     public static void main(String[] args) {
         //定义不可变队列实例
         final EventQueue eventQueue = new EventQueue();
         //新建生产者线程, 可以设置多个
         new Thread(()->{
             while(true) {
                 eventQueue.offer(new EventQueue.Event());
             }
         }, "producer").start();
         //新建消费者线程, 可以设置多个
         new Thread(()->{
             while(true) {
                 eventQueue.take();
                 try {
                     TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(10);
                 } catch (InterruptedException e) {
                     e.printStackTrace();
                 }
             }
         }, "consumer").start();
     }
 }