29 | 如何使用设计模式优化并发编程？

刘超

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该思维导图由 AI 生成，仅供参考

你好，我是刘超。
在我们使用多线程编程时，很多时候需要根据业务场景设计一套业务功能。其实，在多线程编程中，本身就存在很多成熟的功能设计模式，学好它们，用好它们，那就是如虎添翼了。今天我就带你了解几种并发编程中常用的设计模式。
线程上下文设计模式线程上下文是指贯穿线程整个生命周期的对象中的一些全局信息。例如，我们比较熟悉的 Spring 中的 ApplicationContext 就是一个关于上下文的类，它在整个系统的生命周期中保存了配置信息、用户信息以及注册的 bean 等上下文信息。
这样的解释可能有点抽象，我们不妨通过一个具体的案例，来看看到底在什么的场景下才需要上下文呢？
在执行一个比较长的请求任务时，这个请求可能会经历很多层的方法调用，假设我们需要将最开始的方法的中间结果传递到末尾的方法中进行计算，一个简单的实现方式就是在每个函数中新增这个中间结果的参数，依次传递下去。代码如下：
public class ContextTest {
  // 上下文类
  public class Context {
    private String name;
    private long id
    public long getId() {
      return id;
    }
    public void setId(long id) {
      this.id = id;
    }
    public String getName() {
      return this.name;
    }
    public void setName(String name) {
      this.name = name;
    }
  }
  // 设置上下文名字
  public class QueryNameAction {
    public void execute(Context context) {
      try {
        Thread.sleep(1000L);
        String name = Thread.currentThread().getName();
        context.setName(name);
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
  }
  // 设置上下文ID
  public class QueryIdAction {
    public void execute(Context context) {
      try {
        Thread.sleep(1000L);
        long id = Thread.currentThread().getId();
        context.setId(id);
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
  }
  // 执行方法
  public class ExecutionTask implements Runnable {
    private QueryNameAction queryNameAction = new QueryNameAction();
    private QueryIdAction queryIdAction = new QueryIdAction();
    @Override
    public void run() {
      final Context context = new Context();
      queryNameAction.execute(context);
      System.out.println("The name query successful");
      queryIdAction.execute(context);
      System.out.println("The id query successful");
      System.out.println("The Name is " + context.getName() + " and id " + context.getId());
    }
  }
  public static void main(String[] args) {
    IntStream.range(1, 5).forEach(i -> new Thread(new ContextTest().new ExecutionTask()).start());
  }
}
执行结果：
The name query successful
The name query successful
The name query successful
The name query successful
The id query successful
The id query successful
The id query successful
The id query successful
The Name is Thread-1 and id 11
The Name is Thread-2 and id 12
The Name is Thread-3 and id 13
The Name is Thread-0 and id 10
然而这种方式太笨拙了，每次调用方法时，都需要传入 Context 作为参数，而且影响一些中间公共方法的封装。
那能不能设置一个全局变量呢？如果是在多线程情况下，需要考虑线程安全，这样的话就又涉及到了锁竞争。

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本文介绍了如何使用设计模式优化并发编程。首先介绍了线程上下文设计模式，通过具体案例展示了在多线程编程中如何使用上下文来传递信息，并通过ThreadLocal实现了上下文的设计。其次，介绍了Thread-Per-Message设计模式，通过Socket服务端的例子展示了如何使用该设计模式处理I/O操作。最后指出了使用线程池来代替线程的创建和销毁，以避免性能问题。文章内容涵盖了并发编程中常用的设计模式及优化方法，对于需要进行并发编程优化的读者具有一定的参考价值。此外，文章还介绍了Worker-Thread设计模式，通过示例展示了如何使用该模式来减少频繁创建、销毁线程所带来的性能开销，以及无限制地创建线程所带来的内存溢出风险。通过物流分拣的作业场景，演示了Worker-Thread设计模式的实现过程，为读者提供了直观的应用案例。总的来说，本文通过介绍多种设计模式及其在并发编程中的应用，为读者提供了丰富的优化思路和方法，对于需要优化多线程业务的读者具有一定的指导意义。

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峰
讲真，我是觉得设计模式是优化代码组织结构的，性能提升只是因为你的实现途径导致了你适合用某种设计模式，so感觉这样标题怪怪的。如果要这么说的话，mapreduce或者说javase引入的forkjoin，流水线模式，cow就都是了。
作者回复: 是的，有些设计模式更多的是优化代码逻辑结构，但还是有很多设计模式也起到了优化性能效果。例如，文中的Worker-Thread 设计模式其实就是一种线程池的优化方式，在并发量大时，一般的代码逻辑要么是串行执行，要么使用创建线程并发执行，在大量并发时两者都可能会出现性能瓶颈，而这种Worker-Thread 这样的设计方式则即可以并发执行，又避免创建过多的线程导致性能瓶颈。
2019-07-27
2
20
Jxin
1.最常用的多线程设计模式应该是生产者消费者模式，在分布式系统，该模式现在一般也由Mq来承接。（以rocketMq为例）好处有：消峰，解耦，消息堆积，多broker并行消费，单broker串行（顺序）消费，发布订阅，分组消费，失败重试，死信管理等等。 2.其他的业务不常用，比如lmmutability（不变模式，Long类的内部静态类对象池），还有个实时赋值COW，指得一提的应该还有个Actor，但java不支持，要玩又得引第三方包，所以java生产也不会用。 3.forkjoin并行处理也是使用的多线程执行子任务，但这个应该算不上多线程设计模式，感觉说是多线程应用更好，其中的任务窃取挺有意思。
作者回复: 很赞
2019-07-29

13
张德
老师好我还用过reactor模式这个多线程的thread-per-message感觉和reactor模式有点像又有一些区别但我就是总结不出之间的区别老师能不能点化一下多谢
作者回复: 我们在之前也讲过reactor模式，reactor模式是基于事件驱动，并且有专门有一个监听线程池监听事件，一旦有事件进来，将会再通过handler线程池来处理具体的业务，实现更为复杂，性能要比thread-per-message更佳
2019-07-30
2
6
QQ怪
比起Worker-Thread 设计模式类似工厂车间工人的工作模式，还有用的比较多的是生产者和消费者模式，与之前的不同的是，生产者和消费者模式核心是一个任务队列，生产者生产任务到任务队列中，消费者从队列消费任务，优点是解耦和平衡两者之前的速度差异。
作者回复: 对的，分析的很到位。下一讲中我们会详细聊到生产者消费者模式。
2019-07-27

3
undifined
老师，有一个问题没想明白，就是异步的请求处理中，每一个线程接收将请求交给处理的线程后，怎么拿到返回结果并返回给用户呢
作者回复: 可以通过Future模式拿到返回结果，虽然是异步执行，如果要等待返回结果，则主线程还是在阻塞等待。
2019-07-27

3
风轻扬
//InputStreamReader读取原始的字节流,FileReader继承自InputStreamReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(socket.getInputStream())); out = new PrintWriter(socket.getOutputStream(), true); while ((msg = br.readLine()) != null && msg.length() != 0) { System.out.println("server received:" + msg); out.write("received~\n"); out.flush(); } 老师，您在新建PrintWriter实例的时候，已经设置了自动刷新。为什么还要out.flush呢?这一句是多余的吧?
作者回复: 是的，多余了
2019-09-14

2
-W.LI-
老师啊！有没有好的书推荐，我觉得设计模式很好，源码应该是学习设计模式最好的老师，可是我的能力看源码感觉太早了。我就之前看过header first。感觉理解完全不够。好的设计模式和算法都能在系统性能有瓶颈的时候提升系统。我认识到它的重要了可是不得门，入不了难受啊。
作者回复: 我记得大学时候读过一本《大话设计模式》的书籍不错，讲解的通俗易懂。
2019-07-28
3
2
陆离
老师，讲到并发这里，我想问一个前面讲过的synchronized锁升级的几个问题。 1.当锁由无锁状态升级到偏向锁时，除了将Mark Work中的线程ID替换是否还有其他操作？替换完线程ID就代表获取到了锁吗？ 2.当锁状态为偏向锁状态时, 其他线程竞争锁只是CAS替换线程ID吗？如果之前的线程还没有执行完呢？ 3.针对第2个问题，假设线程T1获取到了偏向锁，将线程ID设为T1。线程T2尝试获取偏向锁时，先检测锁的Mark Word线程ID是否为T2,如果不是，会CAS替换，这个时候的期望值为null,更新值为T2，失败后进入偏向锁撤销。stop-the-world后检测T1是否存活，如果否清空Mark work线程ID，锁恢复为无锁状态，唤醒T2,接着尝试获取锁。流程是这样的吗？ 4.当锁升级为轻量级锁时，获取锁的标志是锁指针指向线程的锁记录，当有其他线程尝试CAS获取锁时，期望值是无锁时，Mark word中为hash age 01这样的内容吗？ 5.当线程释放轻量锁时，需要将锁记录替换回Mark Word中，这种情况下锁还未释放为什么会有失败？ 6.当锁升级为重量锁后，开始使用monitor对象，为什么Mark Word中还会把内容替换为指向线程锁记录的指针？这个时候还需要使用Mark word吗？期待老师及同学的解答
作者回复: 1、替换之后，“是否偏向锁”标志位设置为 1； 2、如果获取锁失败，代表当前锁有一定的竞争，偏向锁将升级为轻量级锁； 3、是的； 4、标志位为00； 5、如果是锁释放轻量级锁，直接将指向轻量级锁的指针置为null就可以了； 6、这个是轻量级升级为重量级就会带过来的，暂时没有观察到具体的作用
2019-07-27
3
2
nightmare
一个注册逻辑，下面有注册实现数组，注册实现里面有队列，并且本身实现runable ，注册门面依次从注册实现数组获取一个注册实现并把请求放到注册实现的队列中，请求由一个注册实现来完成，请求由唯一的注册实现来完成，不会有并发问题而且如果注册实现有复杂业务还可以加上 work thread模式来优化
作者回复: 赞，现学现用
2019-07-27

2
停三秒
老师，其实我觉得worker-thread设计模式就是生产者消费者模式。执行流水线的take的Worker就是消费者，执行put的一方就是生产者。
作者回复: 是的
2020-02-01

1

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