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分布式并发设计模式有哪些及其实现原理？

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发布： 2024-12-01 18:00:20

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分布式并发设计模式有哪些及其实现原理？

分布式并发设计模式详解

在分布式开发中，除了常规的23种设计模式外，还有一些针对并发场景的常用设计模式，本文将对这些模式进行详细介绍。

1. 单例模式（singleton）

概念：确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来获取该实例。
原理：

LimeSurvey在线问卷管理系统
LimeSurvey是一款在线问卷管理系统,具有问卷的设计、修改、发布、回收和统计等多项功能。同时它也是一个开源软件,其最新版本的软件包可以完全免费获取和使用。它集成了调查程序开发、调查问卷的发布以及数据收集等功能,使用它,用户不必了解这些功能的编程细节。网上收集的调查数据可以导出多种文件格式以便分析，例如 spss数据格式 *.dat文件。

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- 私有构造函数：防止外部通过new关键字创建类的实例。
- 静态实例变量：保存类的唯一实例。
- 全局访问点：通常是一个静态方法，用于获取类的实例。

并发代码示例：

public class singleton {
  private static volatile singleton instance;
  
  private singleton() {
      // 私有构造函数
  }
  
  public static singleton getinstance() {
      if (instance == null) { // 第一次检查
          synchronized (singleton.class) { // 同步锁
              if (instance == null) { // 第二次检查
                  instance = new singleton();
              }
          }
      }
      return instance;
  }
}

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2. 不可变对象模式（immutable object）

概念：一旦创建了一个对象，其状态就不能被修改。
原理：
- 所有属性都是final的：这意味着一旦初始化后，属性值不能被改变。
- 不提供修改状态的方法：不可变对象不提供任何可以修改其状态的方法。
- 通过构造函数初始化所有属性：在对象创建时，必须通过构造函数初始化所有属性。
- 深度复制：如果对象包含可变对象，需要确保这些对象在创建时也是不可变的，或者在返回时创建它们的副本。

并发代码示例：

public final class immutableperson {
  private final string name;
  private final int age;

  public immutableperson(string name, int age) {
      this.name = name;
      this.age = age;
  }

  public string getname() {
      return name;
  }

  public int getage() {
      return age;
  }

  public immutableperson setname(string newname) {
      return new immutableperson(newname, age);
  }

  public immutableperson setage(int newage) {
      return new immutableperson(name, newage);
  }
}

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3. 线程局部存储模式（thread local storage）

概念：允许在多线程环境下为每个线程维护一个独立的变量副本。
原理：
- threadlocal类：java提供了threadlocal类来支持线程局部存储。threadlocal为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本，通过这个副本，每个线程都可以独立地改变自己的副本而不影响其他线程的副本。
- 副本的创建和获取：threadlocal提供了get和set方法来获取和设置当前线程的变量副本。

并发代码示例：

public class threadlocalexample {
  // 定义一个threadlocal变量，用于存储线程级别的变量
  private static final threadlocal<string> threadlocal = new threadlocal<string>();

  public static void setthreadlocalvalue(string value) {
      threadlocal.set(value);
  }

  public static string getthreadlocalvalue() {
      return threadlocal.get();
  }

  public static void main(string[] args) {
      // 在主线程中设置和获取threadlocal变量的值
      setthreadlocalvalue("main thread value");
      system.out.println("main thread value: " + getthreadlocalvalue());

      // 创建一个新线程并设置和获取threadlocal变量的值
      thread thread = new thread(() -> {
          setthreadlocalvalue("child thread value");
          system.out.println("child thread value: " + getthreadlocalvalue());
      });
      thread.start();
  }
}

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4. 生产者-消费者模式（producer-consumer）

概念：将数据的生成（生产者）和数据的处理（消费者）分离来解决并发问题。
原理：
- 共享数据结构：通常使用队列作为共享的数据结构，生产者将数据放入队列中，消费者从队列中取出数据。
- 同步：生产者和消费者需要同步对共享数据结构的访问，以避免并发问题。可以使用锁、信号量、阻塞队列等机制来实现同步。
- 阻塞和唤醒：当队列满时，生产者应该阻塞等待；当队列空时，消费者应该阻塞等待。当队列状态改变时，需要唤醒相应的生产者或消费者。

并发代码示例：

import java.util.concurrent.blockingqueue;
import java.util.concurrent.linkedblockingqueue;

class producer implements runnable {
  private final blockingqueue<integer> queue;

  public producer(blockingqueue<integer> q) {
      queue = q;
  }

  public void run() {
      try {
          for (int i = 0; i < 10; i++) {
              queue.put(i);
              system.out.println("produced: " + i);
          }
      } catch (interruptedexception ex) {
          ex.printstacktrace();
      }
  }
}

class consumer implements runnable {
  private final blockingqueue<integer> queue;

  public consumer(blockingqueue<integer> q) {
      queue = q;
  }

  public void run() {
      try {
          while (true) {
              int value = queue.take();
              system.out.println("consumed: " + value);
          }
      } catch (interruptedexception ex) {
          ex.printstacktrace();
      }
  }
}

public class producerconsumerexample {
  public static void main(string[] args) {
      blockingqueue<integer> queue = new linkedblockingqueue<integer>(10);
      producer producer = new producer(queue);
      consumer consumer = new consumer(queue);

      new thread(producer).start();
      new thread(consumer).start();
  }
}

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5. 读者-写者模式（read-write lock）

概念：允许多个读者同时访问数据，但在写者访问时，其他的读者或写者都会被阻塞。
原理：
- 读写锁：使用readwritelock接口和reentrantreadwritelock类来实现。这种锁有两个锁，一个用于读操作，一个用于写操作。
- 锁的获取和释放：读者获取读锁，写者获取写锁。读锁可以被多个读者同时持有，而写锁是独占的。
- 锁的升级和降级：在某些情况下，可能需要从读锁升级到写锁，或者从写锁降级到读锁。

并发代码示例：

import java.util.concurrent.locks.readwritelock;
import java.util.concurrent.locks.reentrantreadwritelock;

class sharedresource {
  private final readwritelock readwritelock = new reentrantreadwritelock();
  private final lock readlock = readwritelock.readlock();
  private final lock writelock = readwritelock.writelock();
  private string data;

  public void read() {
      readlock.lock();
      try {
          // 读取数据
          system.out.println("reading data: " + data);
      } finally {
          readlock.unlock();
      }
  }

  public void write(string newdata) {
      writelock.lock();
      try {
          // 写入数据
          data = newdata;
          system.out.println("writing data: " + data);
      } finally {
          writelock.unlock();
      }
  }
}

public class readwritelockexample {
  public static void main(string[] args) {
      sharedresource resource = new sharedresource();

      // 创建多个读者线程
      for (int i = 0; i < 5; i++) {
          new thread(resource::read).start();
      }

      // 创建写者线程
      new thread(() -> resource.write("new data")).start();
  }
}

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6. 工作队列模式（worker thread）

概念：将任务的提交与任务的执行分离。
原理：
- 任务队列：使用一个队列来存储提交的任务。
- 工作者线程：创建一组后台线程作为工作者线程，它们不断地从任务队列中取出任务并执行。
- 任务提交：客户端将任务提交到队列中，不需要关心任务的执行细节。
并发代码示例：

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

class Task implements Runnable {
    private final int taskId;

    public Task(int taskId) {
        this.taskId = taskId;
    }

    @Override
    public void run() {

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