Java的并發(fā)設(shè)計模式

Java的并發(fā)設(shè)計模式作者：01添加目錄標(biāo)題03Java并發(fā)工具類02并發(fā)編程基礎(chǔ)04Java中的線程池05并發(fā)設(shè)計模式目錄CONTENTS添加章節(jié)標(biāo)題PART01并發(fā)編程基礎(chǔ)PART02并發(fā)編程的概念并發(fā)編程：同時執(zhí)行多個任務(wù)的編程方式并發(fā)編程的優(yōu)點：提高程序性能，充分利用多核CPU并發(fā)編程的挑戰(zhàn)：線程安全、死鎖、活鎖等問題并發(fā)編程的解決方案：使用并發(fā)設(shè)計模式、線程同步機制等線程的創(chuàng)建和管理線程同步：使用synchronized關(guān)鍵字或Lock接口實現(xiàn)線程同步，防止數(shù)據(jù)競爭線程通信：使用wait()、notify()、notifyAll()方法實現(xiàn)線程間的通信和協(xié)作線程調(diào)度：操作系統(tǒng)根據(jù)一定的策略調(diào)度線程，實現(xiàn)并發(fā)執(zhí)行創(chuàng)建線程：使用newThread()方法創(chuàng)建線程，并重寫run()方法實現(xiàn)線程邏輯啟動線程：調(diào)用start()方法啟動線程，讓線程開始執(zhí)行線程狀態(tài)：線程有五種狀態(tài)：新建、就緒、運行、阻塞、死亡線程同步與互斥同步方法：使用synchronized關(guān)鍵字，保證同一時刻只有一個線程可以訪問同步方法線程同步：多個線程同時訪問同一資源，需要保證數(shù)據(jù)的一致性和正確性互斥：當(dāng)一個線程訪問共享資源時，其他線程需要等待，直到該線程完成操作互斥鎖：使用ReentrantLock類，實現(xiàn)線程間的互斥訪問Java并發(fā)工具類PART03CountDownLatch使用方法：創(chuàng)建CountDownLatch對象，調(diào)用await()方法等待，調(diào)用countDown()方法計數(shù)器減一單擊此處添加標(biāo)題原理：通過計數(shù)器實現(xiàn)，計數(shù)器初始值為線程數(shù)量，每個線程執(zhí)行完任務(wù)后計數(shù)器減一，當(dāng)計數(shù)器減為零時，等待的線程被喚醒單擊此處添加標(biāo)題概念：允許一個或多個線程等待其他線程完成操作單擊此處添加標(biāo)題應(yīng)用場景：并行任務(wù)處理、并發(fā)測試等單擊此處添加標(biāo)題CyclicBarrier應(yīng)用場景：并行任務(wù)處理、并發(fā)測試等概述：CyclicBarrier是一個同步輔助類，允許一組線程等待彼此完成操作主要方法：await()、reset()、getNumberWaiting()優(yōu)點：簡單易用，支持循環(huán)等待，可重用Semaphore概念：一種用于控制對有限資源的并發(fā)訪問的同步工具原理：通過維護一個信號量來控制對共享資源的訪問使用方法：通過acquire()和release()方法來獲取和釋放信號量應(yīng)用場景：適用于需要控制對有限資源的并發(fā)訪問的場景，如數(shù)據(jù)庫連接池、線程池等Exchanger作用：用于兩個線程之間交換數(shù)據(jù)原理：通過一個同步點，兩個線程到達同步點后，互相交換數(shù)據(jù)應(yīng)用場景：適用于兩個線程需要同時獲取對方數(shù)據(jù)的場景使用方法：通過調(diào)用Exchanger對象的exchange()方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換Java中的線程池PART04ThreadPoolExecutor概述：Java中的線程池實現(xiàn)類，用于管理線程和任務(wù)主要方法：execute()、submit()、shutdown()、shutdownNow()等核心參數(shù)：corePoolSize、maximumPoolSize、keepAliveTime、unit、workQueue等工作原理：通過隊列和線程管理任務(wù)，實現(xiàn)線程的復(fù)用和任務(wù)的高效執(zhí)行ScheduledThreadPoolExecutor概述：ScheduledThreadPoolExecutor是Java并發(fā)編程中常用的線程池之一，主要用于處理定時任務(wù)和周期性任務(wù)。特點：ScheduledThreadPoolExecutor具有以下特點：a.支持定時任務(wù)和周期性任務(wù)b.可以設(shè)置任務(wù)的初始延遲和周期c.可以設(shè)置任務(wù)的執(zhí)行時間d.可以設(shè)置任務(wù)的執(zhí)行順序a.支持定時任務(wù)和周期性任務(wù)b.可以設(shè)置任務(wù)的初始延遲和周期c.可以設(shè)置任務(wù)的執(zhí)行時間d.可以設(shè)置任務(wù)的執(zhí)行順序使用方法：使用ScheduledThreadPoolExecutor需要創(chuàng)建一個ScheduledThreadPoolExecutor對象，并調(diào)用其schedule方法提交任務(wù)。注意事項：在使用ScheduledThreadPoolExecutor時，需要注意以下幾點：a.避免提交過多的任務(wù)導(dǎo)致系統(tǒng)資源耗盡b.避免提交過長時間的任務(wù)導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)時間過長c.避免提交過于頻繁的任務(wù)導(dǎo)致系統(tǒng)負載過大d.避免提交相互依賴的任務(wù)導(dǎo)致死鎖a.避免提交過多的任務(wù)導(dǎo)致系統(tǒng)資源耗盡b.避免提交過長時間的任務(wù)導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)時間過長c.避免提交過于頻繁的任務(wù)導(dǎo)致系統(tǒng)負載過大d.避免提交相互依賴的任務(wù)導(dǎo)致死鎖ForkJoinPoolForkJoinPool是Java并發(fā)編程中一種特殊的線程池它采用了分治算法，將任務(wù)分解為多個子任務(wù)，然后并行執(zhí)行ForkJoinPool適用于計算密集型任務(wù)，如排序、搜索等ForkJoinPool的性能優(yōu)于其他類型的線程池，因為它可以充分利用多核處理器的優(yōu)勢并發(fā)設(shè)計模式PART05生產(chǎn)者消費者模式概念：一種用于處理并發(fā)問題的設(shè)計模式，通過生產(chǎn)者和消費者之間的協(xié)作來平衡系統(tǒng)的負載角色：生產(chǎn)者、消費者、緩沖區(qū)工作原理：生產(chǎn)者生產(chǎn)數(shù)據(jù)，消費者消費數(shù)據(jù)，緩沖區(qū)用于存儲數(shù)據(jù)優(yōu)點：解耦生產(chǎn)者和消費者，提高系統(tǒng)的并發(fā)性和性能讀寫鎖模式讀寫鎖模式的概念：一種并發(fā)控制機制，用于管理對共享資源的并發(fā)訪問讀寫鎖模式的優(yōu)點：提高了并發(fā)性，減少了鎖競爭讀寫鎖模式的實現(xiàn)：通過ReentrantReadWriteLock類實現(xiàn)讀寫鎖模式的應(yīng)用場景：適用于讀操作遠多于寫操作的場景樂觀鎖模式優(yōu)點：相比悲觀鎖，樂觀鎖減少了鎖的競爭，提高了并發(fā)性能。概念：樂觀鎖是一種并發(fā)控制機制，它假設(shè)數(shù)據(jù)在沒有加鎖的情況下不會被其他線程修改。實現(xiàn)方式：在數(shù)據(jù)表中添加一個版本號字段，每次更新數(shù)據(jù)時，版本號加1。缺點：可能會出現(xiàn)ABA問題，即數(shù)據(jù)被其他線程修改后又改回原值，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致。悲觀鎖模式添加標(biāo)題添加標(biāo)題添加標(biāo)題添加標(biāo)題原理：當(dāng)一個線程獲取資源的鎖時，其他線程必須等待該線程釋放鎖后才能獲取資源。概念：悲觀鎖是一種在多線程環(huán)境下，對共享資源進行加鎖的機制，以防止并發(fā)沖突。應(yīng)用場景：適用于并發(fā)量高、競爭激烈的場景，可以有效避免數(shù)據(jù)不一致的問題。實現(xiàn)方式：在Java中，可以通過synchronized關(guān)鍵字或Lock接口來實現(xiàn)悲觀鎖模式。信號量模式應(yīng)用場景：適用于多個線程需要共享資源的場景實現(xiàn)方式：使用Java中的Semaphore類來實現(xiàn)信號量模式信號量：用于控制對共享資源的訪問信號量模式：通過信號量來控制并發(fā)線程的訪問定時器模式概念：通過定時器來控制任務(wù)的執(zhí)行應(yīng)用場景：需要定時執(zhí)行任務(wù)的場景實現(xiàn)方式：使用Timer類或ScheduledExecutorService類優(yōu)點：可以精確控制任務(wù)的執(zhí)行時間，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和性能線程池模式添加標(biāo)題概念：線程池是一種多線程處理方式，可以減少線程創(chuàng)建和銷毀的開銷，提高系統(tǒng)性能。添加標(biāo)題優(yōu)點：降低資源消耗，提高響應(yīng)速度，便于管理。添加標(biāo)題實現(xiàn)：Java中通過Executors類創(chuàng)建線程池，支持多種線程池類型，如FixedThreadPool、CachedThreadPool等。添加標(biāo)題使用場景：適用于需要大量線程完成任務(wù)，且任務(wù)執(zhí)行時間較短的場景。觀察者模式定義：觀察者模式是一種設(shè)計模式，允許一個對象在其狀態(tài)發(fā)生變化時通知其他對象。應(yīng)用場景：當(dāng)需要實現(xiàn)一個對象狀態(tài)變化時，其他相關(guān)對象需要隨之更新時，可以使用觀察者模式。優(yōu)點：降低了對象之間的耦合度，提高了程序的可維護性和可擴展性。實現(xiàn)方式：在Java中，可以通過實現(xiàn)Observer接口和Observable類來實現(xiàn)觀察者模式。單例模式概念：確保一個類只有一個實例實現(xiàn)方式：餓漢式、懶漢式、雙重檢查鎖、靜態(tài)內(nèi)部類應(yīng)用場景：數(shù)據(jù)庫連接、日志記錄、配置文件等優(yōu)點：減少內(nèi)存占用，提高性能，避免重復(fù)創(chuàng)建對象同步器模式概念：用于控制對共享資源的并發(fā)訪問優(yōu)點：提高系統(tǒng)性能，避免死鎖和饑餓問題應(yīng)用場景：多線程環(huán)境下的并發(fā)控制主要組件：鎖、條件變量、信號量等阻塞隊列模式添加標(biāo)題阻塞隊列：一種特殊的隊列，當(dāng)隊列為空時，獲取元素的線程會被阻塞，直到隊列中有元素；當(dāng)隊列已滿時，添加元素的線程會被阻塞，直到隊列有空間。添加標(biāo)題應(yīng)用場景：多線程環(huán)境下，用于控制對共享資源的訪問。添加標(biāo)題優(yōu)點：可以減少線程間的競爭，提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。添加標(biāo)題實現(xiàn)方式：Java中提供了多種阻塞隊列的實現(xiàn)，如ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue等。倒計時模式概念：一種用于處理倒計時任務(wù)的并發(fā)設(shè)計模式實現(xiàn)方法：使用多線程技術(shù)，每個線程負責(zé)倒計時的一部分，最后匯總結(jié)果設(shè)計原則：充分利用并發(fā)性，提高效率應(yīng)用場景：需要在特定時間內(nèi)完成某項任務(wù)的場景任務(wù)分發(fā)模式關(guān)鍵技術(shù)：多線程編程、負載均衡、任務(wù)調(diào)度等優(yōu)點：提高系統(tǒng)吞吐量、減少響應(yīng)時間、充分利用資源概念：將任務(wù)分配給多個線程或進程，以提高系統(tǒng)性能應(yīng)用場景：處理大量并發(fā)請求、大數(shù)據(jù)處理、分布式計算等任務(wù)超時模式概念：在并發(fā)編程中，任務(wù)超時模式是一種處理任務(wù)執(zhí)行超時問題的設(shè)計模式。應(yīng)用場景：當(dāng)任務(wù)執(zhí)行時間過長，可能導(dǎo)致系統(tǒng)資源耗盡或響應(yīng)速度降低時，可以使用任務(wù)超時模式。實現(xiàn)方式：a.使用定時器：在任務(wù)執(zhí)行開始時，啟動一個定時器，當(dāng)定時器超時時，中斷任務(wù)執(zhí)行。b.使用FutureTask：在任務(wù)執(zhí)行開始時，將任務(wù)提交給線程池，并使用FutureTask對象獲取任務(wù)執(zhí)行結(jié)果，當(dāng)任務(wù)執(zhí)行超時時，取消任務(wù)并獲取異常信息。a.使用定時器：在任務(wù)執(zhí)行開始時，啟動一個定時器，當(dāng)定時器超時時，中斷任務(wù)執(zhí)行。b.使用FutureTask：在任務(wù)執(zhí)行開始時，將任務(wù)提交給線程池，并使用FutureTask對象獲取任務(wù)執(zhí)行結(jié)果，當(dāng)任務(wù)執(zhí)行超時時，取消任務(wù)并獲取異常信息。優(yōu)點：a.提高系統(tǒng)響應(yīng)速度：避免任務(wù)執(zhí)行時間過長導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)速度降低。b.避免資源浪費：當(dāng)任務(wù)執(zhí)行超時時，可以及時中斷任務(wù)，避免系統(tǒng)資源耗盡。c.提高任務(wù)執(zhí)行效率：通過中斷超時任務(wù)，可以釋放資源供其他任務(wù)使用，從而提高任務(wù)執(zhí)行效率。a.提高系統(tǒng)響應(yīng)速度：避免任務(wù)執(zhí)行時間過長導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)速度降低