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【多线程】单例模式和阻塞队列

news 来源：原创 2025/7/4 11:24:47

一.单例模式

1. 饿汉模式

2. 懒汉模式

二.阻塞队列

1. 阻塞队列的概念

2. BlockingQueue接口

3.生产者-消费者模型

4.模拟生产者-消费者模型

一.单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是一种常用的软件设计模式，其核心思想是确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来获取这个实例。

为什么要引入单例模式？

单例模式的核心就是一个类中只有一个实例，因为只用管理一个实例，那么就可以更好的对代码进行一个校验和检查，方便高效管理，同时也避免了多个实例可能带来的问题。

如果创建一个实例需要耗费100G的资源，那么创建出多个实例，代价太大。而且在多数情况下，一个实例完全够用，所有没有必要创建出多个实例，这样就避免资源的重复创建和浪费

在编译器中，没有提供类只能创建出多少个实例的方法，但是我们可以通过一些代码逻辑去规定创建实例的要求，下面是常用的几种单例模式。

1. 饿汉模式

核心特点是 在类加载时就立即创建单例实例，并通过静态方法提供全局访问。

class Singleton{private static Singleton singleton = new Singleton();public static Singleton getSingleton(){return singleton;}//核心操作private Singleton(){}}

使用static关键字保证唯一实例（在类被加载的时候就会创建出这个唯一实例）
构造方法被设为私有，导致构造方法无法被调用
如果想要获取这个实例只能使用静态方法getSingleton调用

由于在类被加载的时候，就会创建出实例，创建实例的时机很早（感觉非常的迫切，像一个饿汉），所有叫做饿汉模式

注意：在多线程中，并发调用getSingleton静态方法，由于只有读操作，所以是线程安全

缺点: 如果实例未被使用，实例依然会被创建，可能造成资源浪费（假设实例的大小是100G）。

2. 懒汉模式

其核心特点是 延迟实例的创建，只有在第一次使用时才初始化单例对象，以减少资源浪费。

public class LazySingleton {private static LazySingleton instance;private LazySingleton() {}// 非线程安全public static LazySingleton getInstance() {if (instance == null) {//这里会涉及指令重排序的问题instance = new LazySingleton();}return instance;}
}

在使用调用方法时，只有在第一次使用时才初始化实例，否则都是返回已经存在的实例

注意：在多线程中，并发调用getInstance方法，由于同时存在两个线程修改一个变量操作，线程不安全

发现出现new两次情况，所以解决这个问题，我们要进行加锁

class LazySingleton {private static LazySingleton instance;private LazySingleton() {}static Object A = new Object();// 非线程安全public static LazySingleton getInstance() {synchronized (A){if (instance == null) {//这里会涉及指令重排序的问题instance = new LazySingleton();}}return instance;}
}

这里我们会发现，每次调用getInstance方法，都要进行加锁和解锁的步骤，这样的步骤开销很大

所以我们需要进行改进

    public static LazySingleton getInstance() {if(instance==null){synchronized (A){if (instance == null) {//这里会涉及指令重排序的问题instance = new LazySingleton();}}}return instance;}

第一次的 if 语句判断是否需要加锁
第二次的 if 语句判断是否为空

写到这里我们的代码还存在一个很严重的问题，由于指令重排序引起的线程安全问题

                    instance = new LazySingleton();

在创建一个实例的时候，主要有3步骤：正确的步骤顺序是1—>2—>3

1. 在内存中开辟一份空间，2.使用构造方法去创建实例，3. 将空间的地址赋值给引用变量

但是JVM可能会将步骤的执行顺序发送改变1—>3—>2,从而引发线程安全问题

具体原因：t2线程没有进入因为锁阻塞这步，t2线程会在t1线程执行完地址赋值后，刚好执行第一次的 if 判断语句，发现引用变量不为空，会直接返回引用变量（但是引用变量的值是空的）

其实解决也很简单使用volatile关键字

class LazySingleton {private static  volatile LazySingleton instance;private LazySingleton() {}static Object A = new Object();// 非线程安全public static LazySingleton getInstance() {if(instance==null){synchronized (A){if (instance == null) {//这里会涉及指令重排序的问题instance = new LazySingleton();}}}return instance;}
}

二.阻塞队列

1. 阻塞队列的概念

阻塞队列可以看成是普通队列的一种扩展，遵循先进先出的原则，核心特性是当队列操作无法立即执行时，线程会被自动阻塞直到条件满足。

如果队列是满的，进行入队列操作则会被阻塞，直到队列不满
如果队列是空的，进行出队列操作则会被阻塞，直到队列不空

2. BlockingQueue接口

在 Java 标准库中内置了阻塞队列. 如果我们需要在一些程序中使用阻塞队列, 直接使用标准库中的

BlockingQueue接口属于java.util.concurrent包。它是线程安全的队列，支持阻塞操作。
常见的实现类有：ArrayBlockingQueue，LinkedBlockingQueue，PriorityBlockingQueue

方法	说明
`put(E e)`	队列未满时插入元素；若队列已满，则阻塞线程直到有空位。
`take()`	队列非空时取出元素；若队列为空，则阻塞线程直到有元素可用。
`offer(E e)`	队列未满时插入元素并返回 `true`；队列已满时直接返回 `false`（非阻塞）。
`poll()`	队列非空时取出元素并返回；队列为空时返回 `null`（非阻塞）。
`offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)`	队列满时等待指定超时时间，超时后返回 `false`。
`poll(long timeout, TimeUnit unit)`	队列空时等待指定超时时间，超时后返回 `null`。
`E peek()`	返回队列头部元素但不移除；队列空时返回 `null`。

其中只有put( )和take( )方法带有阻塞的效果

3.生产者-消费者模型

生产者-消费者模型用于解决多线程环境下的线程同步问题，核心思想是通过 共享缓冲区（阻塞队列） 解耦生产者和消费者，使两者可以独立并发工作

生产者和消费者彼此之间不直接进行联系，而是通过缓冲区（阻塞队列）进行联系

好处

（1）解耦合

解耦生产者和消费者的直接依赖，生产者和消费者可独立开发，提高开发效率，方便维护
生产者和消费者可并行执行，最大化利用 CPU、I/O 等资源
即使生产者挂了，也不会影响消费者的正常工作（反之同理）

解耦合在分布式系统中很常见，比如服务器的整个功能并不是由一个服务器全部完成，而是由多个服务器完成，每个服务器完成一部分功能，最后通过服务器之间的网络通信，实现整个功能

（2）缓冲机制

生产者突发大量请求时，队列暂存数据，避免消费者过载崩溃。
消费者处理慢时，队列累积任务，避免生产者因等待而阻塞。
可以将缓冲区作为“蓄水池”，协调速度差异

public class Demo_3 {public static void main(String[] args) {BlockingDeque<Integer> deque = new LinkedBlockingDeque<>(100);Thread t1 = new Thread(()->{while(true){try {Thread.sleep(300);Random random = new Random();int num = random.nextInt(101);System.out.println("生产数："+ num);deque.put(num);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}},"生产者");t1.start();Thread t2 = new Thread(()->{while(true){try {Thread.sleep(500);int num = deque.take();System.out.println("消费数:"+num);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}},"消费者");t2.start();}
}

4.模拟生产者-消费者模型

核心：阻塞队列的实现

将其看成一个循环队列，其中两个核心的方法：put（）和take（）

put（）：入队列操作，如果队列为满则进入阻塞状态，由take（）进行唤醒

take（）：出队列操作，如果队列为空则进入阻塞状态，由put（）方法进行唤醒

在判断是否需要进入阻塞状态的时候，使用while语句，进行多次判断，如果使用if语句相当于一锤定音，在阻塞的状态下，可能会被notifyAll（）唤醒，但是这时候队列中的空间并不足够（虚假唤醒），也有可能会出现连续唤醒的情况，最好的方式是再进行一次判断

class MyBlockingQueue{Object A = new Object();int[] elems = null;int right ;int tail ;int usedSize;MyBlockingQueue(int capacity){elems = new int[capacity];}//注意锁的位置//放入操作public void put(int elem) throws InterruptedException {synchronized (A){//如果满，不能放出while (usedSize>=elems.length){A.wait();}//没有满，正常放入elems[tail++] = elem;if(tail>=elems.length){tail = 0;}usedSize++;A.notify();}}public int take() throws InterruptedException {synchronized (A){//如果为空，不能取出while (usedSize == 0){A.wait();}//不为空，正常取出int elem = elems[right++];//另一种写法right = right%elems.length;usedSize--;A.notify();return elem;}}}

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