Java并发编程，除了被用于各种Web应用、分布式系统和大数据系统，构成高并发系统的核心基础外，其本身也蕴含着大量的设计模式思想在里面。这一系列文章主要是结合Java源码，对并发编程中使用到的、实现的各类设计模式做归纳总结，以便进一步沉淀对Java并发设计的理解。
模板设计模式
Thread类中run和start方法，就是一个典型的模板设计模式的实现，即：父类定义算法逻辑代码，子类实现其细节。
1 public synchronized void start() {
2 /**
3 * 线程对象新建后的New状态，其内部thereadStatus属性为0
4 */
5 if (threadStatus != 0)
6 throw new IllegalThreadStateException();
7
8 /* 同时会被添加到一个ThreadGroup */
9 group.add(this);
10
11 boolean started = false;
12 //调用JNI方法start0()来启动线程
13 try {
14 start0();
15 started = true;
16 } finally {
17 //线程结束之后，再次启动将抛出异常
18 try {
19 if (!started) {
20 group.threadStartFailed(this);
21 }
22 } catch (Throwable ignore) {
23 /* do nothing. If start0 threw a Throwable then
24 it will be passed up the call stack */
25 }
26 }
27 }
下面以一个例子演示模板模式：
public class TemplateMethod {
//相当于Thread类的start方法, 用final修饰避免被更改
public final void print(String message) {
System.out.println("-------------");
wrapPrint(message);
System.out.println("-------------");
}
//相当于Thread的run方法, 用protected修饰限于子类重写
protected void wrapPrint(String message) {
}
public static void main(String[] args) {
//通过匿名内部子类, 重写父类的wrapPrint方法, 从而实现不同的输出模板
TemplateMethod t1 = new TemplateMethod() {
@Override
protected void wrapPrint(String message) {
System.out.println("111" + message + "111");
}
};
t1.print("Hello World!");
TemplateMethod t2 = new TemplateMethod() {
@Override
protected void wrapPrint(String message) {
System.out.println("222" + message + "222");
}
};
t2.print("Hello World!");
}
}
策略模式
创建Java多线程中，实现Runnable接口作为Target并传入Thread类的构造方法来生成线程对象的过程，就体现了GoF中策略模式的设计思想。下面是一个简单的示例：
首先，仿照Runnable接口的思想，定义一个用于处理数据库行的接口
1 /*
2 * RowHandler定义了对数据库查询返回结果操作的方法, 具体实现需要
3 * 实现类完成, 类似于Runnable接口
4 */
5 public interface RowHandler<T> {
6 T handle(ResultSet rs);
7 }
然后，仿照Thread方法，定义数据库查询的工作类
1 public class RecordQuery {
2
3 private final Connection connection;
4
5 public RecordQuery(Connection connection) {
6 this.connection = connection;
7 }
8 //方法中传入RowHandler的实现类
9 public <T> T query(RowHandler<T> handler, String sql, Object... params) throws SQLException {
10 PreparedStatement stmt;
11 ResultSet resultSet;
12 stmt = connection.prepareStatement(sql);
13 int index = 1;
14 for (Object param : params) {
15 stmt.setObject(index++, param);
16 }
17 resultSet = stmt.executeQuery();
18 //调用实现类的handle方法来处理数据
19 return handler.handle(resultSet);
20 }
21 }
生产者-消费者模式
生产者-消费者模式是使用Java并发编程通信所实现的经典模式之一。该模式是通过队列这一数据结构来存储对象元素，由多线程分别充当生产者和消费者，生产者不断生成元素、消费者不断消费元素的过程。下面通过代码来演示：
实现一个带有入队和出队的队列
1 /*
2 * 通过一个生产者-消费者队列来说明线程通信的基本使用方法
3 */
4 public class EventQueue {
5 //定义一个队列元素数量, 一旦赋值则不可更改
6 private final int max;
7 //定义一个空的内部类, 代表存储元素
8 static class Event{ }
9 //定义一个不可改的链表集合, 作为队列载体
10 private final LinkedList<Event> eventQueue = new LinkedList<>();
11 //如果不指定初始容量, 则容量默认为10
12 private final static int DEFAULT_MAX_EVENT = 10;
13 //使用自定义容量初始化队列
14 public EventQueue(int max) {
15 this.max = max;
16 }
17 //如果不指定初始容量, 则容量默认为10
18 public EventQueue() {
19 this(DEFAULT_MAX_EVENT);
20 }
21 //封装一个输出到控制台的方法
22 private void console(String message) {
23 System.out.printf("%s:%s\n",Thread.currentThread().getName(), message);
24 }
25 //定义入队方法
26 public void offer(Event event) {
27 //使用链表对象作为锁, 通过synchronized代码块实现同步
28 synchronized(eventQueue) {
29 //在循环中判断如果队列已满, 则调用锁的wait方法, 使生产者线程阻塞
30 while(eventQueue.size() >= max) {
31 try {
32 console(" the queue is full");
33 eventQueue.wait();
34 } catch (InterruptedException e) {
35 e.printStackTrace();
36 }
37 }
38 console(" the new event is submitted");
39 eventQueue.addLast(event);
40 //唤醒所有等待中的消费者;注意如果此处使用notify(),可能导致线程不安全
41 this.eventQueue.notifyAll();
42 }
43 }
44 //定义出队方法
45 public Event take() {
46 //使用链表对象作为锁
47 synchronized(eventQueue) {
48 //在循环中判断如果队列已空, 则调用锁的wait方法, 使消费者线程阻塞
49 while(eventQueue.isEmpty()) {
50 try {
51 console(" the queue is empty.");
52 eventQueue.wait();
53 } catch (InterruptedException e) {
54 e.printStackTrace();
55 }
56 }
57 Event event = eventQueue.removeFirst();
58 //唤醒所有等待中的生产者;注意如果此处使用notify(),可能导致线程不安全
59 this.eventQueue.notifyAll();
60 console(" the event " + event + " is handled/taked.");
61 return event;
62 }
63 }
64 }
验证该队列的类
1 /*
2 * producer/client pattern
3 */
4 public class EventClient {
5
6 public static void main(String[] args) {
7 //定义不可变队列实例
8 final EventQueue eventQueue = new EventQueue();
9 //新建生产者线程, 可以设置多个
10 new Thread(()->{
11 while(true) {
12 eventQueue.offer(new EventQueue.Event());
13 }
14 }, "producer").start();
15 //新建消费者线程, 可以设置多个
16 new Thread(()->{
17 while(true) {
18 eventQueue.take();
19 try {
20 TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(10);
21 } catch (InterruptedException e) {
22 e.printStackTrace();
23 }
24 }
25 }, "consumer").start();
26 }
27 }
