JUC并发编程设计模式

一、保护性暂停

1.1 定义

即Guarded Suspension,用在一个线程等待另一个线程的执行结果

要点
● 有一个结果需要从一个线程传递到另一个线程，让他们关联同一一个GuardedObject

● 如果有结果不断从一个线程到另一个线程那么可以使用消息队列（生产者/消费者）

● JDK中，join的实现、Future的实现，采用的就是此模式

● 因为要等待另一方的结果，因此归类到同步模式
在这里插入图片描述

1.2 实现

GuardedObject（保护对象），其response属性用来保存最终的结果（t1使用结果，t2产生结果），初始值为null（wait-notify在GuardedObject上等待结果）

模拟应用场景：线程1需要等待线程2产生的结果，线程2进行一个下载任务

import cn.itcast.pattern.Downloader;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.io.IOException;
import java.util.List;

@Slf4j(topic = "c.Test")
public class Test {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        GuardedObject guardedObject = new GuardedObject();
        new Thread(() -> {
            // 等待结果
            log.debug("等待结果");
            List<String> list = guardedObject.get();
            log.debug("结果的大小:{}", list.size());
        }, "t1").start();

        new Thread(() -> {
            log.debug("执行下载");
            try {
                List<String> list = Downloader.download();
                // 将下载结果传给线程1
                guardedObject.complete(list);
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
    }
}

class uardedObject {
    // 结果
    private Object response;

    // 获取结果的方法
    public Object get() {
        synchronized (this) {
            // 还没有结果
            while (response == null) {
                // 调用wait等待
                try {
                    this.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            return response;
        }
    }

    // 产生结果
    public void complete(Object response) {
        synchronized (this) {
            // 给结果成员变量赋值
            this.response = response;
            // 通知等待线程
            this.notifyAll();
        }
    }
}

运行结果：
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1.3 保护性暂停扩展—增加超时

二、两阶段终止-interrupt

Two Phase Termination
在一个线程T1中如何“优雅”终止线程T2？这里的【优雅】指的是给T2一个料理后事的机会。

错误思路

● 使用线程对象的stop()方法停止线程（强制杀死）
—— 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

● 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

2.1 两阶段终止-interrupt分析

有如下场景，做一个系统的健康状态监控（记录电脑CPU的使用率、内存的使用率）实现定时监控。实现这样一个场景，可用一个后台的监控线程不断记录。
在这里插入图片描述
代码实现：

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

@Slf4j(topic = "c.Test")
public class Test {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        TwoPhaseTermination tpt=new TwoPhaseTermination();
        // 启动监控线程（每隔1秒执行监控记录）
        tpt.start();
        // 模拟非正常打断，主线程经过3.5后，被interrupt()===>优雅打断
        Thread.sleep(3500);
        tpt.stop();
    }
}
// 监控类代码
@Slf4j(topic = "c.TwoPhaseTermination")
class TwoPhaseTermination{
     // 创建监控线程
    private Thread monitor;

    // 启动监控线程
    public void start(){
        // 创建线程对象
        monitor=new Thread(()->{
            // 不断被执行监控
            while (true){
                // 获取当前线程对象，判断是否被打断
                Thread current = Thread.currentThread();
                if(current.isInterrupted()){
                    // 若被打断
                    log.debug("料理后事");
                    break;
                }
                    // 若未被打断（每隔2s执行睡眠，进行监控操作）
                try {
                    Thread.sleep(1000);  // 情况1===>非正常打断（睡眠过程中）
                    log.debug("执行监控记录");   // 情况2===>正常打断
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                    // 重新设置打断标记（sleep()被打断后会清除打断标记）
                    current.interrupt();
                }
            }
        });
        monitor.start();
    }

    // 停止监控线程
    public void stop(){
        // "优雅"打断
        monitor.interrupt();
    }
}

运行结果：
在这里插入图片描述

分析：监控线程每隔1s监控系统，主线程处于休眠状态，3.5秒后休眠状态被打断

*****interrupted（）与isInterrupted（）均为判断当前线程是否被打断，表面上看起来类似。但却有着很大的区别，调用isInterrupted（）不会清除打断标记，而调用interrupted（）判断完后会将打断标记清除

三、固定运行顺序

同步模式之顺序控制
比如，先打印2后打印1（如果不加控制两个线程被CPU调度的时间不受控制）

3.1 wait notify版

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

@Slf4j(topic = "c.Test25")
public class Test25 {
    // 锁对象
    static final Object lock = new Object();

    // 表示 t2 是否运行过
    static boolean t2runned = false;

    public static void main(String[] args) {

        // 打印1的线程（线程1期待线程2打印过后将标记置为真后再打印）
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                while (!t2runned) {
                    try {
                        lock.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                log.debug("1");
            }
        }, "t1");

        // 打印2的线程
        Thread t2 = new Thread(() -> {
            synchronized (lock) {
                log.debug("2");
                t2runned = true;
                lock.notify();
            }
        }, "t2");

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

运行结果：
在这里插入图片描述

3.2 park unpack版

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

@Slf4j(topic = "c.Test26")
public class Test26 {
    public static void main(String[] args) {

        Thread t1 = new Thread(() -> {
            LockSupport.park();
            log.debug("1");
        }, "t1");
        t1.start();

        new Thread(() -> {
            log.debug("2");
            LockSupport.unpark(t1);
        },"t2").start();
    }
}

运行结果：
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3.3 ReentrantLock——await&signal

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

@Slf4j(topic = "c.Test24")
public class Test24 {

    static final Object room = new Object();
    static boolean flag = false;
    static ReentrantLock ROOM = new ReentrantLock();
    // 创建一个新的条件变量（休息室）
    static Condition waitSet = ROOM.newCondition();
   
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        // 打印“1”的线程
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            ROOM.lock();
            try {
                log.debug("2是否打印完毕[{}]", flag);
                while (!flag) {
                    log.debug("未打印2，先歇会！");
                    try {
                        waitSet.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                log.debug("1");
            } finally {
                // 解锁
                ROOM.unlock();
            }
        });
        
        // 打印“2”的线程
        Thread t2=new Thread(()->{
            ROOM.lock();
            try {
                log.debug("2");
                flag=true;
                // 唤醒线程
                waitSet.signal();
            }finally {
                ROOM.unlock();
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

四、交替输出

线程1输出a 5次，线程2输出b 5次，线程3输出c 5次。现在要求输出abcabcabcabcabc怎么实现

4.1 wait notify版

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

@Slf4j(topic = "c.Test")
public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        Wait_notify wait_notify = new Wait_notify(1,5);
        // 线程t1打印a
        new Thread(() -> {
            wait_notify.print("a",1,2);
        }, "t1").start();

        // 线程t1打印b
        new Thread(() -> {
            wait_notify.print("b",2,3);
        }, "t2").start();

        // 线程t3打印c
        new Thread(() -> {
            wait_notify.print("c",3,1);
        }, "t3").start();
    }
}

/*输出内容         等待标记     下一个标记
  a               1           2
  b               2           3
  c               3           1*/
class Wait_notify {
    // 等待标记【存在3个线程，因此用blooen变量不太合适（blooen变量的状态只有两个）】
    private int flag;        // 1: t1    2: t2   3: t3
    // 循环次数
    private int loopnumber;

    public Wait_notify(int flag, int loopnumber) {
        this.flag = flag;
        this.loopnumber = loopnumber;
    }

    // 打印方法（打印内容，打印标记）
    public void print(String s, int wait, int nextFlag) {
        for (int i = 0; i < loopnumber; i++) {
            synchronized (this) {
                while (flag != wait) {
                    // 进入等待
                    try {
                        this.wait();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                    System.out.print(s);
                    flag = nextFlag;
                    // 唤醒其他等待的线程
                    this.notifyAll();
            }
        }
    }
}

运行结果：
在这里插入图片描述

4.2 ReentrantLock——await&signal

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

@Slf4j(topic = "c.Test")
public class Test {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        Awaitsynch awaitsynch = new Awaitsynch(5);
        // 线程1的休息室
        Condition a = awaitsynch.newCondition();
        // 线程2的休息室
        Condition b = awaitsynch.newCondition();
        // 线程3的休息室
        Condition c = awaitsynch.newCondition();

        new Thread(() -> {
            awaitsynch.print("a", a, b);
        }).start();

        new Thread(() -> {
            awaitsynch.print("b", b, c);
        }).start();

        new Thread(() -> {
            awaitsynch.print("c", c, a);
        }).start();

        // 三个线程刚开始都会进入各自休息室进行休息（利用主线程先将a休息室中的线程唤醒）
        Thread.sleep(1000);
        awaitsynch.lock();
        try {
            System.out.println("开始......");
            // 唤醒a休息室中的线程
            a.signal();
        } finally {
            awaitsynch.unlock();
        }
    }
}
class Awaitsynch extends ReentrantLock {
    // 循环次数
    private int loopnumber;

    public Awaitsynch(int loopnumber) {
        this.loopnumber = loopnumber;
    }
    //  （打印内容,进入的休息室,下一个休息室）
    public void print(String s, Condition con, Condition next) {
        for (int i = 0; i < loopnumber; i++) {
            // 给当前线程加锁
            lock();
            try {
                con.await();
                System.out.print(s);
                // 唤醒下一个休息室中的线程
                next.signal();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            } finally {
                unlock();
            }
        }
    }
}

运行结果：
在这里插入图片描述

4.3 park unpack版

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

@Slf4j(topic = "c.Test24")
public class Test24 {
    static Thread a;
    static Thread b;
    static Thread c;
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ParkUnpark parkUnpark = new ParkUnpark(5);
        a=new Thread(() -> {
            parkUnpark.print("a", b);
        });
        b=new Thread(() -> {
            parkUnpark.print("b", c);
        });
        c=new Thread(() -> {
            parkUnpark.print("c", a);
        });
        a.start();
        b.start();
        c.start();
        // 主线程唤醒当前暂停的线程
        LockSupport.unpark(a);
    }
}
class parkUpark {
    // 循坏次数
    private int loopNumber;
    public parkUpark(int loopNumber) {
        this.loopNumber = loopNumber;
    }

    // print(打印的内容,要唤醒的线程)
    public void print(String s, Thread next) {
        for (int i = 0; i < loopNumber; i++) {
            // 暂停当前线程(阻塞)
            LockSupport.park();
            System.out.println(s);
            // 唤醒下一个线程
            LockSupport.unpark(next);
        }
    }
}