本文作者：xiaoshi

Java 并发工具知识点详解

xiaoshi 05-30 19 抢沙发
Java 并发工具知识点详解摘要： ...

Java并发工具全解析：提升多线程编程效率的关键技术

并发编程的核心挑战

现代软件开发中，多核处理器已成为标配，如何充分利用硬件资源提升程序性能成为开发者必须面对的问题。Java作为企业级应用的主流语言，提供了一套完善的并发工具包，帮助开发者应对多线程编程中的各种挑战。

Java 并发工具知识点详解

线程安全、竞态条件和死锁是多线程编程中最常见的三大问题。当多个线程同时访问共享资源时，如果没有适当的同步机制，就会导致数据不一致或程序异常。Java并发工具包正是为解决这些问题而生。

基础同步机制

synchronized关键字是Java中最基本的同步机制，它可以修饰方法或代码块，确保同一时间只有一个线程能够执行被保护的代码。虽然简单易用，但过度使用会导致性能问题。

public class Counter {
    private int count = 0;

    public synchronized void increment() {
        count++;
    }

    public synchronized int getCount() {
        return count;
    }
}

volatile关键字解决了可见性问题，确保变量的修改对所有线程立即可见。但它不能保证原子性，适合作为状态标志使用。

public class TaskRunner {
    private volatile boolean running = true;

    public void stop() {
        running = false;
    }

    public void run() {
        while(running) {
            // 执行任务
        }
    }
}

并发集合类

Java并发包提供了一系列线程安全的集合类，比使用synchronized包装普通集合性能更好：

  • ConcurrentHashMap：高并发环境下替代HashMap
  • CopyOnWriteArrayList：读多写少场景下的线程安全列表
  • ConcurrentLinkedQueue：无界非阻塞队列
  • BlockingQueue接口及其实现：生产者-消费者模式的理想选择
// 使用ConcurrentHashMap的示例
ConcurrentMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();
map.compute("key", (k, v) -> v == null ? 1 : v + 1);

高级同步工具

ReentrantLock比synchronized更灵活，支持公平锁、可中断锁等待和超时获取锁等特性。

public class Account {
    private final Lock lock = new ReentrantLock();
    private int balance;

    public void transfer(Account dest, int amount) {
        boolean myLock = false;
        boolean destLock = false;
        try {
            myLock = lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS);
            destLock = dest.lock.tryLock(1, TimeUnit.SECONDS);

            if(myLock && destLock) {
                this.balance -= amount;
                dest.balance += amount;
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        } finally {
            if(myLock) lock.unlock();
            if(destLock) dest.lock.unlock();
        }
    }
}

ReadWriteLock实现了读写分离，允许多个读操作同时进行，但写操作独占锁。

public class Cache {
    private final Map<String, Object> map = new HashMap<>();
    private final ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();

    public Object get(String key) {
        rwLock.readLock().lock();
        try {
            return map.get(key);
        } finally {
            rwLock.readLock().unlock();
        }
    }

    public void put(String key, Object value) {
        rwLock.writeLock().lock();
        try {
            map.put(key, value);
        } finally {
            rwLock.writeLock().unlock();
        }
    }
}

线程协作工具

CountDownLatch允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。

public class ParallelProcessor {
    public void process(List<Runnable> tasks) throws InterruptedException {
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(tasks.size());

        for(Runnable task : tasks) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    task.run();
                } finally {
                    latch.countDown();
                }
            }).start();
        }

        latch.await(); // 等待所有任务完成
        System.out.println("所有任务处理完成");
    }
}

CyclicBarrier让一组线程互相等待，到达屏障点后一起继续执行。

public class MatrixSolver {
    public void solve(double[][] matrix) {
        int workerCount = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(workerCount, 
            () -> System.out.println("一轮迭代完成"));

        for(int i = 0; i < workerCount; i++) {
            new Thread(new Worker(matrix, barrier)).start();
        }
    }

    private static class Worker implements Runnable {
        private final double[][] matrix;
        private final CyclicBarrier barrier;

        Worker(double[][] matrix, CyclicBarrier barrier) {
            this.matrix = matrix;
            this.barrier = barrier;
        }

        public void run() {
            while(!converged()) {
                // 计算矩阵的一部分
                try {
                    barrier.await();
                } catch (Exception e) {
                    Thread.currentThread().interrupt();
                }
            }
        }
    }
}

Semaphore控制同时访问特定资源的线程数量。

public class ConnectionPool {
    private final Semaphore semaphore;
    private final List<Connection> connections;

    public ConnectionPool(int size) {
        semaphore = new Semaphore(size);
        connections = new ArrayList<>(size);
        for(int i = 0; i < size; i++) {
            connections.add(new Connection());
        }
    }

    public Connection getConnection() throws InterruptedException {
        semaphore.acquire();
        return getAvailableConnection();
    }

    public void releaseConnection(Connection conn) {
        returnConnection(conn);
        semaphore.release();
    }

    // 省略获取和归还连接的实现细节
}

原子变量类

java.util.concurrent.atomic包提供了一系列原子操作类，如AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等，它们利用CAS(Compare-And-Swap)指令实现无锁线程安全。

public class IdGenerator {
    private final AtomicLong counter = new AtomicLong(0);

    public long nextId() {
        return counter.incrementAndGet();
    }
}

LongAdder在高并发环境下比AtomicLong性能更好，适合统计、计数等场景。

public class RequestCounter {
    private final LongAdder counter = new LongAdder();

    public void increment() {
        counter.increment();
    }

    public long count() {
        return counter.sum();
    }
}

线程池与Future

ExecutorService框架简化了线程管理，提供了多种线程池实现：

  • newFixedThreadPool：固定大小线程池
  • newCachedThreadPool：可扩展线程池
  • newSingleThreadExecutor：单线程池
  • newScheduledThreadPool：支持定时任务
public class WebCrawler {
    private final ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);

    public void crawl(List<String> urls) {
        List<Future<Result>> futures = new ArrayList<>();

        for(String url : urls) {
            futures.add(executor.submit(() -> downloadAndParse(url)));
        }

        for(Future<Result> future : futures) {
            try {
                Result result = future.get();
                process(result);
            } catch (Exception e) {
                handleError(e);
            }
        }
    }

    // 省略其他方法
}

CompletableFuture是Java 8引入的强大工具，支持异步编程和函数式组合。

public class OrderService {
    public CompletableFuture<Order> processOrderAsync(OrderRequest request) {
        return CompletableFuture.supplyAsync(() -> validate(request))
            .thenApplyAsync(this::calculatePrice)
            .thenApplyAsync(this::applyDiscounts)
            .thenApplyAsync(this::saveToDatabase)
            .exceptionally(this::handleError);
    }

    // 省略各步骤方法实现
}

并发编程最佳实践

  1. 优先使用并发工具：而不是自己实现同步机制
  2. 减少锁粒度：只锁定必要的代码块
  3. 避免死锁：按固定顺序获取多个锁
  4. 注意性能：在高并发场景下测试同步机制的开销
  5. 考虑无锁算法：如使用原子变量或不可变对象
  6. 合理使用线程池：根据任务类型选择合适的线程池
  7. 处理中断：正确响应线程中断请求
  8. 避免过度同步：只在必要时使用同步

Java并发工具包不断演进，每个版本都会引入新的特性和改进。掌握这些工具不仅能提高程序性能，还能减少多线程编程中的常见错误，是Java开发者必须掌握的核心技能之一。

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作者:xiaoshi本文地址：http://blog.luashi.cn/post/2363.html发布于 05-30
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