多线程的设计模式：Future、Master-Worker
一 简介
并行设计模式属于设计优化的一部分，它是对一些常用的多线程结构的总结和抽象。与串行程序相比，并行程序的结构通常更为复杂，因此合理的使用并行模式在多线程开发中更具有意义，在这里主要介绍Future、Master-Worker和生产者-消费者模型
二 Future模式
Future模式有点类似于商品订单。比如在网购时，当看中某一件商品时，就可以提交订单，当订单处理完成后，在家等待商品送货上门即可。或者说更形象的，我们发送Ajax请求的时候，页面是异步的进行后台处理，用户无需一直等待请求的结果，可以继续浏览或操作其他内容。
public class Main {
public static void main(String[] args) {
FutureClient futureClient = new FutureClient();
Date date = futureClient.request("date");
System.out.println("请求已经被处理...");
System.out.println("去做其他操作...");
System.out.println("结果为：" + date.getRequest());
}
}
public class FutureClient {
public Date request(final String queryStr) {
//1.想要一个代理对象（Date接口的实现类）先返回给发送请求的客户端，告诉她请求已经被接收到，可以做其他事情
final FutureDate futureDate = new FutureDate();
//2.启动一个新的线程，去加载真实数据，传递给这个代理对象
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
//3.这个新的线程可以去加载真实对象，然后传递给代理对象
RealDate realDate = new RealDate(queryStr);
futureDate.setRealDate(realDate);
}
}).start();;
return futureDate;
}
}
public interface Date {
String getRequest();
}
public class FutureDate implements Date{
private RealDate realDate;
private Boolean isReady = false;
@Override
public synchronized String getRequest() {
while (!isReady) {
try {
//如果没有装载完毕，程序一直处于阻塞状态
wait();
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
//装载好直接获取数据
return this.realDate.getRequest();
}
public synchronized void setRealDate(RealDate realDate) {
while (isReady) {
//如果已经加载完毕，就直接返回
return;
}
//如果没有，就进行装载真实对象
this.realDate = realDate;
this.isReady = true;
//通知
notify();
}
}
public class RealDate implements Date{
private String realDate;
public RealDate(String realDate) {
System.out.println("根据" + realDate + "进行查询，这是一个很耗时的操作...");
try {
Thread.sleep(5000);
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
System.out.println("操作完毕，获取结果...");
this.realDate = "查询结果";
}
@Override
public String getRequest() {
// TODO Auto-generated method stub
return this.realDate;
}
}
运行结果：
请求已经被处理...
去做其他操作...
根据date进行查询，这是一个很耗时的操作...
操作完毕，获取结果...
结果为：查询结果
三 Master-Worker模式
Master-Worker模式是常用的并行设计模式。它的核心思想是系统由两类进程协作工作：Master进程和Worker进程。Master进程负责接收和分配任务，Worker进程负责处理子任务。当各个Worker进程处理完成后，会将结果返回给Master，由Master做归纳和总结。其好处是能将一个大任务分解成若干个小任务，并行执行，从而提高系统的吞吐量。
public class Task {
private int id;
private String name;
private int price;
public Task(int id, String name, int price) {
super();
this.id = id;
this.name = name;
this.price = price;
}
public int getId() {
return id;
}
public void setId(int id) {
this.id = id;
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public int getPrice() {
return price;
}
public void setPrice(int price) {
this.price = price;
}
}
public class Master {
//1.有一个承装任务的集合ConcurrentLinkedQueue
private ConcurrentLinkedQueue<Task> workQueue = new ConcurrentLinkedQueue<>();
//2.使用普通的HashMap承装所有的Worker对象
private HashMap<String, Thread> workers = new HashMap<>();
//3.使用一个容器承装每一个Worker并发执行任务的结果集
private ConcurrentHashMap<String, Object> resultMap = new ConcurrentHashMap<>();
//4.构造方法
public Master(Worker worker, int workerCount) {
//每一个Worker对象都需要有Master的引用workQueue用于任务的领取，resultMap用于任务的提交
worker.setWorkerQueue(this.workQueue);
worker.setResultMap(this.resultMap);
for (int i = 1; i <= workerCount; i++) {
//key表示每个Worker的名字，value表示线程执行对象
this.workers.put("子节点" + Integer.toString(i), new Thread(worker));
}
}
//5.提交方法
public void submit(Task task) {
this.workQueue.add(task);
}
//6.需要执行方法，让所有Worker工作
public void execute() {
for(Map.Entry<String,Thread> entry : workers.entrySet()) {
System.out.println("Worker：" + entry.getKey() + "开始执行...");
entry.getValue().start();
}
}
//7.判断线程是否已经执行完毕
public boolean isComplete() {
for(Map.Entry<String,Thread> entry : workers.entrySet()) {
if(entry.getValue().getState() != Thread.State.TERMINATED) {
return false;
}
}
return true;
}
//8.返回结果集数据
public int getResult() {
int ret = 0;
for(Map.Entry<String,Object> entry : resultMap.entrySet()) {
ret += (Integer)entry.getValue();
}
return ret;
}
}
public class Worker implements Runnable{
private ConcurrentLinkedQueue<Task> workQueue;
private ConcurrentHashMap<String, Object> resultMap;
public void setWorkerQueue(ConcurrentLinkedQueue<Task> workQueue) {
this.workQueue = workQueue;
}
public void setResultMap(ConcurrentHashMap<String, Object> resultMap) {
this.resultMap = resultMap;
}
@Override
public void run() {
while(true) {
Task input = this.workQueue.poll();
if(input == null) break;
//handle真正处理业务的方法
Object ouput = hanle(input);
this.resultMap.put(Integer.toString(input.getId()), ouput);
}
}
private Object hanle(Task input) {
Object output = null;
try {
//表示处理业务的耗时，可能是数据的加工也可能是操作数据库
Thread.sleep(500);
output = input.getPrice();
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
return output;
}
}
public class Main {
public static void main(String[] args) {
//Master master = new Master(new Worker(), Runtime.getRuntime().availableProcessors());
//当前及其可用线程数
Master master = new Master(new Worker(), 20);
Random price = new Random();
for (int i = 0; i < 100 ; i++) {
Task t = new Task(i, "任务" + i, price.nextInt(1000));
master.submit(t);
}
master.execute();
long start = System.currentTimeMillis();
while(true) {
if(master.isComplete()) {
long end = System.currentTimeMillis();
int result = master.getResult();
System.out.println("最终结果：" + result + "，耗时：" + (end - start));
break;
}
}
}
}
运行结果：
Worker：子节点8开始执行...
Worker：子节点7开始执行...
Worker：子节点9开始执行...
Worker：子节点16开始执行...
Worker：子节点17开始执行...
Worker：子节点2开始执行...
Worker：子节点18开始执行...
Worker：子节点1开始执行...
Worker：子节点19开始执行...
Worker：子节点4开始执行...
Worker：子节点12开始执行...
Worker：子节点3开始执行...
Worker：子节点13开始执行...
Worker：子节点6开始执行...
Worker：子节点14开始执行...
Worker：子节点5开始执行...
Worker：子节点15开始执行...
Worker：子节点20开始执行...
Worker：子节点10开始执行...
Worker：子节点11开始执行...
最终结果：50179，耗时：2505
三 生产者-消费者模式
生产者和消费者也是一个非常经典的多线程模式，我们在实际开发中应用非常广泛的思想理念。在生产-消费者模式中：通常由两类线程，即若干个生产者的线程和若干个消费者的线程。生产者线程负责提交用户请求，消费者线程则负责具体处理生产者提交的任务，在生产者和消费者之间通过共享内存缓存区进行通信。
MQ(Message Queue)消息队列中间件使用了生产者-消费者模式
public class Data {
private String id;
private String data;
public Data(String id, String data) {
super();
this.id = id;
this.data = data;
}
public String getId() {
return id;
}
public void setId(String id) {
this.id = id;
}
public String getData() {
return data;
}
public void setData(String data) {
this.data = data;
}
}
public class Provider implements Runnable{
private LinkedBlockingQueue<Data> queue;
private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
private volatile boolean isRunning = true;
private Random random = new Random();
public Provider(LinkedBlockingQueue<Data> queue) {
super();
this.queue = queue;
}
@Override
public void run() {
while(this.isRunning) {
try {
Thread.sleep(random.nextInt(1000));
int id = count.incrementAndGet();
Data data = new Data(Integer.toString(id), "数据" + id);
System.out.println("当前生产线程：" + Thread.currentThread().getName() + "，获取了数据，id为：" + id + "，进行装载到公共缓冲区...");
if(!this.queue.offer(data, 2, TimeUnit.SECONDS)) {
System.out.println("提交缓冲区失败...");
}
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
}
public void stop() {
this.isRunning = false;
}
}
public class Consumer implements Runnable{
private LinkedBlockingQueue<Data> queue;
public Consumer(LinkedBlockingQueue<Data> queue) {
super();
this.queue = queue;
}
@Override
public void run() {
while(true) {
try {
Data data = this.queue.take();
Thread.sleep(1000);
System.out.println("当前消费线程为：" + Thread.currentThread().getName() + "，消费成功，消费数据为id：" + data.getId());
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
}
}
}
public class Main {
public static void main(String[] args) {
//内存缓冲区
LinkedBlockingQueue<Data> queue = new LinkedBlockingQueue<>();
//生产者
Provider p1 = new Provider(queue);
Provider p2 = new Provider(queue);
Provider p3 = new Provider(queue);
//消费者
Consumer c1 = new Consumer(queue);
Consumer c2 = new Consumer(queue);
Consumer c3 = new Consumer(queue);
//创建线程池运行，这是一个缓存的线程池，可以创建无穷大的线程，没有任务的时候不创建线程，空闲线程存活时间为60s(默认)
ExecutorService cachePool = Executors.newCachedThreadPool();
cachePool.execute(p1);
cachePool.execute(p2);
cachePool.execute(p3);
cachePool.execute(c1);
cachePool.execute(c2);
cachePool.execute(c3);
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
p1.stop();
p2.stop();
p3.stop();
try {
Thread.sleep(2000);
} catch (InterruptedException e) {
// TODO Auto-generated catch block
e.printStackTrace();
}
//cachePool.shutdown();
}
}
运行结果：
当前生产线程：pool-1-thread-3，获取了数据，id为：1，进行装载到公共缓冲区...
当前生产线程：pool-1-thread-1，获取了数据，id为：1，进行装载到公共缓冲区...
当前生产线程：pool-1-thread-3，获取了数据，id为：2，进行装载到公共缓冲区...
当前生产线程：pool-1-thread-2，获取了数据，id为：1，进行装载到公共缓冲区...
当前生产线程：pool-1-thread-1，获取了数据，id为：2，进行装载到公共缓冲区...
当前消费线程为：pool-1-thread-4，消费成功，消费数据为id：1
当前消费线程为：pool-1-thread-6，消费成功，消费数据为id：1
当前生产线程：pool-1-thread-1，获取了数据，id为：3，进行装载到公共缓冲区...
当前生产线程：pool-1-thread-2，获取了数据，id为：2，进行装载到公共缓冲区...
当前生产线程：pool-1-thread-3，获取了数据，id为：3，进行装载到公共缓冲区...
当前消费线程为：pool-1-thread-5，消费成功，消费数据为id：2
当前消费线程为：pool-1-thread-4，消费成功，消费数据为id：1
当前消费线程为：pool-1-thread-6，消费成功，消费数据为id：2
当前生产线程：pool-1-thread-1，获取了数据，id为：4，进行装载到公共缓冲区...
当前生产线程：pool-1-thread-2，获取了数据，id为：3，进行装载到公共缓冲区...
当前生产线程：pool-1-thread-3，获取了数据，id为：4，进行装载到公共缓冲区...
当前生产线程：pool-1-thread-3，获取了数据，id为：5，进行装载到公共缓冲区...
当前生产线程：pool-1-thread-1，获取了数据，id为：5，进行装载到公共缓冲区...
当前消费线程为：pool-1-thread-5，消费成功，消费数据为id：3
当前生产线程：pool-1-thread-3，获取了数据，id为：6，进行装载到公共缓冲区...
当前生产线程：pool-1-thread-2，获取了数据，id为：4，进行装载到公共缓冲区...
当前消费线程为：pool-1-thread-4，消费成功，消费数据为id：2
当前消费线程为：pool-1-thread-6，消费成功，消费数据为id：3
当前生产线程：pool-1-thread-1，获取了数据，id为：6，进行装载到公共缓冲区...
当前消费线程为：pool-1-thread-5，消费成功，消费数据为id：4
当前消费线程为：pool-1-thread-4，消费成功，消费数据为id：3
当前消费线程为：pool-1-thread-6，消费成功，消费数据为id：4
当前消费线程为：pool-1-thread-5，消费成功，消费数据为id：5
当前消费线程为：pool-1-thread-4，消费成功，消费数据为id：5
当前消费线程为：pool-1-thread-6，消费成功，消费数据为id：6
当前消费线程为：pool-1-thread-5，消费成功，消费数据为id：4
当前消费线程为：pool-1-thread-4，消费成功，消费数据为id：6
