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随着CPU 多核时代的到来，多线程编程在充分利用计算资源、提高软件服务质量方面扮演了越来越重要的角色。而解决多线程编程中频繁出现的普遍问题可以借鉴设计模式所提供的现成解决方案。然而，多线程编程相关的设计模式书籍多采用C++作为描述语言，且书中所举的例子多与应用开发人员的实际工作相去甚远。本书采用Java（JDK1.6）语言和UML 为描述语言，并结合作者多年工作经历的相关实战案例，介绍了多线程环境下常用设计模式的来龙去脉：各个设计模式是什么样的及其典型的实际应用场景、实际应用时需要注意的事项以及各个模式的可复用代码实现。

第1章  Java多线程编程实战基础	1
1.1  无处不在的线程	1
1.2  线程的创建与运行	2
1.3  线程的状态与上下文切换	5
1.4  线程的监视	7
1.5  原子性、内存可见性和重排序——重新认识synchronized和volatile	10
1.6  线程的优势和风险	11
1.7  多线程编程常用术语	13
第2章  设计模式简介	17
2.1  设计模式及其作用	17
2.2  多线程设计模式简介	20
2.3  设计模式的描述	21
第3章  Immutable Object（不可变对象）模式	23
3.1  Immutable Object模式简介	23
3.2  Immutable Object模式的架构	25
3.3  Immutable Object模式实战案例	27
3.4  Immutable Object模式的评价与实现考量	31
3.5  Immutable Object模式的可复用实现代码	32
3.6  Java标准库实例	32
3.7  相关模式	34
3.7.1  Thread Specific Storage模式（第10章）	34
3.7.2  Serial Thread Confinement模式（第11章）	34
3.8  参考资源	34
第4章  Guarded Suspension（保护性暂挂）模式	35
4.1  Guarded Suspension模式简介	35
4.2  Guarded Suspension模式的架构	35
4.3  Guarded Suspension模式实战案例解析	39
4.4  Guarded Suspension模式的评价与实现考量	45
4.4.1  内存可见性和锁泄漏（Lock Leak）	46
4.4.2  线程过早被唤醒	46
4.4.3  嵌套监视器锁死	47
4.5  Guarded Suspension模式的可复用实现代码	50
4.6  Java标准库实例	50
4.7  相关模式	51
4.7.1  Promise模式（第6章）	51
4.7.2  Producer-Consumer模式（第7章）	51
4.8  参考资源	51
第5章  Two-phase Termination（两阶段终止）模式	52
5.1  Two-phase Termination模式简介	52
5.2  Two-phase Termination模式的架构	53
5.3  Two-phase Termination模式实战案例	56
5.4  Two-phase Termination模式的评价与实现考量	63
5.4.1  线程停止标志	63
5.4.2  生产者-消费者问题中的线程停止	64
5.4.3  隐藏而非暴露可停止的线程	65
5.5  Two-phase Termination模式的可复用实现代码	65
5.6  Java标准库实例	66
5.7  相关模式	66
5.7.1  Producer-Consumer模式（第7章）	66
5.7.2  Master-Slave模式（第12章）	66
5.8  参考资源	66
第6章  Promise（承诺）模式	67
6.1  Promise模式简介	67
6.2  Promise模式的架构	68
6.3  Promise模式实战案例解析	70
6.4  Promise模式的评价与实现考量	74
6.4.1  异步方法的异常处理	75
6.4.2  轮询（Polling）	75
6.4.3  异步任务的执行	75
6.5  Promise模式的可复用实现代码	77
6.6  Java标准库实例	77
6.7  相关模式	78
6.7.1  Guarded Suspension模式（第4章）	78
6.7.2  Active Object模式（第8章）	78
6.7.3  Master-Slave模式（第12章）	78
6.7.4  Factory Method模式	78
6.8  参考资源	79
第7章  Producer-Consumer（生产者/消费者）模式	80
7.1  Producer-Consumer模式简介	80
7.2  Producer-Consumer模式的架构	80
7.3  Producer-Consumer模式实战案例解析	83
7.4  Producer-Consumer模式的评价与实现考量	87
7.4.1  通道积压	87
7.4.2  工作窃取算法	88
7.4.3  线程的停止	92
7.4.4  高性能高可靠性的Producer-Consumer模式实现	92
7.5  Producer-Consumer模式的可复用实现代码	92
7.6  Java标准库实例	93
7.7  相关模式	93
7.7.1  Guarded Suspension模式（第4章）	93
7.7.2  Thread Pool模式（第9章）	93
7.8  参考资源	93
第8章  Active Object（主动对象）模式	94
8.1  Active Object模式简介	94
8.2  Active Object模式的架构	95
8.3  Active Object模式实战案例解析	98
8.4  Active Object模式的评价与实现考量	105
8.4.1  错误隔离	107
8.4.2  缓冲区监控	108
8.4.3  缓冲区饱和处理策略	108
8.4.4  Scheduler空闲工作者线程清理	109
8.5  Active Object模式的可复用实现代码	109
8.6  Java标准库实例	111
8.7  相关模式	112
8.7.1  Promise模式（第6章）	112
8.7.2  Producer-Consumer模式（第7章）	112
8.8  参考资源	112
第9章  Thread Pool（线程池）模式	113
9.1  Thread Pool模式简介	113
9.2  Thread Pool模式的架构	114
9.3  Thread Pool模式实战案例解析	116
9.4  Thread Pool模式的评价与实现考量	117
9.4.1  工作队列的选择	118
9.4.2  线程池大小调校	119
9.4.3  线程池监控	121
9.4.4  线程泄漏	122
9.4.5  可靠性与线程池饱和处理策略	122
9.4.6  死锁	125
9.4.7  线程池空闲线程清理	126
9.5  Thread Pool模式的可复用实现代码	127
9.6  Java标准库实例	127
9.7  相关模式	127
9.7.1  Two-phase Termination模式（第5章）	127
9.7.2  Promise模式（第6章）	127
9.7.3  Producer-Consumer模式（第7章）	127
9.8  参考资源	128
第10章  Thread Specific Storage（线程特有存储）模式	129
10.1  Thread Specific Storage模式简介	129
10.2  Thread Specific Storage模式的架构	131
10.3  Thread Specific Storage模式实战案例解析	133
10.4  Thread Specific Storage模式的评价与实现考量	135
10.4.1  线程池环境下使用Thread Specific Storage模式	138
10.4.2  内存泄漏与伪内存泄漏	139
10.5  Thread Specific Storage模式的可复用实现代码	145
10.6  Java标准库实例	146
10.7  相关模式	146
10.7.1  Immutable Object模式（第3章）	146
10.7.2  Proxy（代理）模式	146
10.7.3  Singleton（单例）模式	146
10.8  参考资源	147
第11章  Serial Thread Confinement（串行线程封闭）模式	148
11.1  Serial Thread Confinement模式简介	148
11.2  Serial Thread Confinement模式的架构	148
11.3  Serial Thread Confinement模式实战案例解析	151
11.4  Serial Thread Confinement模式的评价与实现考量	155
11.4.1  任务的处理结果	155
11.5  Serial Thread Confinement模式的可复用实现代码	156
11.6  Java标准库实例	160
11.7  相关模式	160
11.7.1  Immutable Object模式（第3章）	160
11.7.2  Promise模式（第6章）	160
11.7.3  Producer-Consumer模式（第7章）	160
11.7.4  Thread Specific Storage（线程特有存储）模式 （第10章）	161
11.8  参考资源	161

第12章  Master-Slave（主仆）模式	162
12.1  Master-Slave模式简介	162
12.2  Master-Slave模式的架构	162
12.3  Master-Slave模式实战案例解析	164
12.4  Master-Slave模式的评价与实现考量	171
12.4.1  子任务的处理结果的收集	172
12.4.2  Slave参与者实例的负载均衡与工作窃取	173
12.4.3  可靠性与异常处理	173
12.4.4  Slave线程的停止	174
12.5  Master-Slave模式的可复用实现代码	174
12.6  Java标准库实例	186
12.7  相关模式	186
12.7.1  Two-phase Termination模式（第5章）	186
12.7.2  Promise模式（第6章）	186
12.7.3  Strategy（策略）模式	186
12.7.4  Template（模板）模式	186
12.7.5  Factory Method（工厂方法）模式	186
12.8  参考资源	187
第13章  Pipeline（流水线）模式	188
13.1  Pipeline模式简介	188
13.2  Pipeline模式的架构	189
13.3  Pipeline模式实战案例解析	194
13.4  Pipeline模式的评价与实现考量	208
13.4.1  Pipeline的深度	209
13.4.2  基于线程池的Pipe	209
13.4.3  错误处理	212
13.4.4  可配置的Pipeline	212
13.5  Pipeline模式的可复用实现代码	212
13.6  Java标准库实例	222
13.7  相关模式	222
13.7.1  Serial Thread Confinement模式（第11章）	222
13.7.2  Master-Slave模式（第12章）	222
13.7.3  Composite模式	223
13.8  参考资源	223
第14章  Half-sync/Half-async（半同步/半异步）模式	224
14.1  Half-sync/Half-async模式简介	224
14.2  Half-sync/Half-async模式的架构	224
14.3  Half-sync/Half-async模式实战案例解析	226
14.4  Half-sync/Half-async模式的评价与实现考量	234
14.4.1  队列积压	235
14.4.2  避免同步层处理过慢	235
14.5  Half-sync/Half-async模式的可复用实现代码	236
14.6  Java标准库实例	240
14.7  相关模式	240
14.7.1  Two-phase Termination模式（第5章）	240
14.7.2  Producer-Consumer模式（第7章）	241
14.7.3  Active Object模式（第8章）	241
14.7.4  Thread Pool模式（第9章）	241
14.8  参考资源	241
第15章  模式语言	242
15.1  模式与模式间的联系	242
15.2  mmutable Object（不可变对象）模式	244
15.3  Guarded Suspension（保护性暂挂）模式	244
15.4  Two-phase Termination（两阶段终止）模式	245
15.5  Promise（承诺）模式	246
15.6  Producer-Consumer（生产者/消费者）模式	247
15.7  Active Object（主动对象）模式	248
15.8  Thread Pool（线程池）模式	249
15.9  Thread Specific Storage（线程特有存储）模式	250
15.10  Serial Thread Confinement（串行线程封闭）模式	251
15.11  Master-Slave（主仆）模式	252
15.12  Pipeline（流水线）模式	253
15.13  Half-sync/Half-async（半同步/半异步）模式	254
附录  本书常用UML图指南	255
A.1  UML简介	255
A.2  类图（Class Diagram）	256
A.1.1  类的属性、方法和立体型（Stereotype）	256
A.1.2  类与类之间的关系	258
A.3  序列图（Sequence Diagram）	261
参考文献	263

前言





随着现代CPU的生产工艺从提升CPU主频频率转向多核化，即在一块芯片上集成多个CPU内核（Core），以往那种靠CPU自身处理能力的提升所带来的软件计算性能提升的那种“免费午餐”不复存在。在此背景下，多线程编程在充分利用计算资源、提高软件服务质量方面扮演了越来越重要的角色。然而，多线程编程并非一个简单地使用多个线程进行编程的数量问题，其又有自身的问题。好比俗话说“一个和尚打水喝，两个和尚挑水喝，三个和尚没水喝”，简单地使用多个线程进行编程可能导致更加糟糕的计算效率。
设计模式相当于软件开发领域的“三十六计”，它为特定背景下反复出现的问题提供了一般性解决方案。多线程相关的设计模式为我们恰当地使用多线程进行编程并达到提升软件服务质量这一目的提供了指引和参考。当然，设计模式不是菜谱，即便是菜谱我们也不能指望照着菜谱做就能做出一道美味可口的菜肴，但我们又不能因此而否认菜谱存在的价值。
可惜的是，国外与多线程编程相关的设计模式书籍多数采用C++作为描述语言，且书中所举的例子又多与应用开发人员的实际工作经历相去甚远。本书作为国内第一本多线程编程相关设计模式的原创书籍，希望能够为Java开发者普及多线程相关的设计模式开一个头。
本书采用Java（JDK 1.6） 语言和UML（Unified Modeling Language）为描述语言，并结合作者多年工作经历的相关实战案例，介绍了多线程环境下常用设计模式的来龙去脉：各个设计模式是什么样的及其典型的实际应用场景、实际应用时需要注意的相关事项以及各个模式的可复用代码实现。
本书第1章对多线程编程基础进行了回顾，虽然该章讲的是基础但重点仍然是强调“实战”。所谓“温故而知新”，有一定多线程编程基础、经验的读者也不妨快速阅读一下本章，说不定有新的收获。
本书第3章到第14章逐一详细讲解了多线程编程相关的12个常用设计模式。针对每个设计模式，相应章节会从以下几个方面进行详细讲解。
模式简介。这部分简要介绍了相应设计模式的由来及其核心思想，以便读者能够快速地对其有个初步认识。
模式的架构。这部分会从静态（类及类与类之间的结构关系）和动态（类与类之间的交互）两个角度对相应设计模式进行详细讲解。模式架构分别使用UML类图（Class Diagram）和序列图（Sequence Diagram）对模式的静态和动态两个方面进行描述。
实战案例解析。在相应设计模式架构的基础上，本部分会给出相关的实战案例并对其进行解析。不同于教科书式的范例，实战案例强调的是“实战”这一背景。因此实战案例解析中，我们会先提出实际案例中我们面临的实际问题，并在此基础上结合相应设计模式讲解相应设计模式是如何解决这些问题的。实战案例解析中我们会给出相关的Java代码，并讲解这些代码与相应设计模式的架构间的对应关系，以便读者进一步理解相应设计模式。为了便于读者进行实验，本书给出的实战案例代码都力求做到可运行。实战案例解析有助于读者进一步理解相应的设计模式，并体验相应设计模式的应用场景。建议读者在阅读这部分时先关注重点，即实战案例中我们要解决哪些问题，相应设计模式又是如何解决这些问题的，实战案例的代码与相应设计模式的架构间的对应关系。而代码中其与设计模式非强相关的细节则可以稍后关注。
模式的评价与实现考量。这部分会对相应设计模式在实现和应用过程中需要注意的一些事项、问题进行讲解，并讨论应用相应设计模式所带来的好处及缺点。该节也会讨论相应设计模式的典型应用场景。
可复用实现代码。这部分给出相应设计模式的可复用实现代码。编写设计模式的可复用代码有助于读者进一步理解相应设计模式及其在实现和应用过程中需要注意的相关事项和问题，也便于读者在实际工作中应用相应设计模式。
Java标准库实例。考虑到Java标准库的API设计过程中已经应用了许多设计模式，本书尽可能地给出相应设计模式在Java API中的应用情况。
相关模式。设计模式不是孤立存在的，一个具体的设计模式往往和其它设计模式之间存在某些联系。这部分会描述相应设计模式与其它设计模式之间存在的关系。这当中可能涉及GOF的设计模式，这类设计模式并不在本书的讨论范围之内。有需要的读者，请自行参考相关书籍。
本书的源码可以从http://github.com/Viscent/javamtp下载或博文视点官网http://www.broadview.com.cn相关图书页面。

黄文海，2004年开始从事软件开发工作，近几年从事软件项目管理工作。在其工作过程中积累了丰富的技术指导经验和企业内部培训经验。曾在InfoQ中文站和IBM developerWorks上发表过十几篇技术、项目管理文章。

本书用Java诠释多线程编程的“三十六计”——多线程设计模式。每个设计模式的讲解都附有实战案例及源码解析，从理论到实战经验，全面呈现常用多线程设计模式的来龙去脉。本书是作者多年工作经验的总结，融合了作者独到的见解和思考，相信读者阅读后会受益匪浅。

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Java多线程编程实战指南（设计模式篇）