Java多线程系列——JDK并发包

Java并发编程是Java开发中不可或缺的一部分，它允许开发者编写能够同时执行多个任务的应用程序，提高了程序的执行效率和响应速度。自从Java 5开始，java.util.concurrent包成为了并发编程的核心，引入了多种并发工具类，使得并发程序的编写变得更加简单和高效。本文将深入探讨这个包中的各种并发工具及其用途。

 

Executor框架

Executor框架是java.util.concurrent包的基石，提供了管理线程池的机制，允许开发者分离任务的提交与任务的执行过程。

  • Executor接口：定义了一个执行提交任务的简单接口，主要方法为execute(Runnable command)。
  • ExecutorService接口：是更完善的Executor，提供了生命周期管理的方法，比如shutdown()和submit()，后者可以提交Callable任务并返回Future。
  • ScheduledExecutorService接口：扩展了ExecutorService，支持定时及周期性任务执行。
  • ThreadPoolExecutor和ScheduledThreadPoolExecutor类：这两个类是上述接口的具体实现，提供了灵活的线程池管理策略。

示例 

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;public class ExecutorExample {public static void main(String[] args) {// 创建一个固定大小的线程池ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(2);// 提交任务给线程池执行executor.submit(() -> {System.out.println("Task 1 executed by " + Thread.currentThread().getName());});executor.submit(() -> {System.out.println("Task 2 executed by " + Thread.currentThread().getName());});// 关闭线程池executor.shutdown();}
}

 

同步器

java.util.concurrent包提供了多种同步器，帮助开发者控制并发访问和修改共享资源。

  • Semaphore（信号量）：用于控制同时访问某个特定资源的操作数量，通过协调各个线程以保证合理的使用公共资源。
  • CountDownLatch：允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。
  • CyclicBarrier：允许一组线程相互等待，直到所有线程都到达某个公共屏障点。
  • Phaser：提供了更灵活的回合制同步，是CyclicBarrier的通用版本，支持动态地增减参与者。
  • Exchanger：允许两个线程在汇合点交换数据，用于线程间的数据交换。

示例（使用CountDownLatch）： 

import java.util.concurrent.CountDownLatch;public class CountDownLatchExample {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {CountDownLatch latch = new CountDownLatch(2);new Thread(() -> {System.out.println("Task 1 started.");// 模拟任务执行try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}System.out.println("Task 1 finished.");latch.countDown();}).start();new Thread(() -> {System.out.println("Task 2 started.");// 模拟任务执行try {Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();}System.out.println("Task 2 finished.");latch.countDown();}).start();// 等待两个任务都执行完毕latch.await();System.out.println("All tasks finished.");}
}

 

锁

在java.util.concurrent.locks包中，提供了比synchronized关键字更高级的锁机制。

  • Lock接口：比synchronized更灵活的锁机制，允许尝试非阻塞地获取锁、获取可中断锁以及尝试获取锁直到超时。
  • ReentrantLock：一个实现了Lock接口的可重入互斥锁。
  • ReadWriteLock接口：读写锁，允许多个线程同时读共享资源，但只有一个线程可以写。
  • ReentrantReadWriteLock：实现了ReadWriteLock，提供了读写分离的锁管理机制。

示例（使用ReentrantLock ）：

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class ReentrantLockExample {private final Lock lock = new ReentrantLock();public void task() {lock.lock();try {System.out.println("Task executed by " + Thread.currentThread().getName());// 模拟任务执行} finally {lock.unlock();}}public static void main(String[] args) {ReentrantLockExample example = new ReentrantLockExample();Thread t1 = new Thread(example::task);Thread t2 = new Thread(example::task);t1.start();t2.start();}
}

 

并发集合

java.util.concurrent包提供了多种线程安全的集合类。

  • ConcurrentHashMap：一个高效的线程安全的HashMap实现。
  • CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet：写时复制技术的应用，适合读多写少的并发场景。
  • BlockingQueue接口：支持两个附加操作的Queue，即在队列为空时获取元素的线程会等待队列变为非空，队列满时插入元素的线程会等待队列可用。

 示例（使用ConcurrentHashMap）：

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;public class ConcurrentHashMapExample {public static void main(String[] args) {ConcurrentHashMap<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>();map.put("key", "value");System.out.println(map.get("key"));}
}

 

原子变量

在java.util.concurrent.atomic包中，提供了一组原子类用于在单个变量上进行无锁的线程安全操作。

  • AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean等：提供了基本类型的原子操作。
  • AtomicReference：提供了对象引用的原子操作。
  • AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray：提供了数组元素的原子操作。

示例（使用AtomicInteger）:

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;public class AtomicIntegerExample {private static AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);public static void main(String[] args) {// 线程1增加计数器new Thread(() -> counter.incrementAndGet()).start();// 线程2增加计数器new Thread(() -> counter.incrementAndGet()).start();System.out.println("Counter: " + counter.get());}
}

 

CompletableFuture

CompletableFuture是在Java 8中引入的，提供了一个异步编程的框架。通过CompletableFuture，可以将回调式的编程风格与Future的优势结合起来，实现更加灵活的异步编程。

示例

import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.ExecutionException;public class CompletableFutureExample {public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {return "Hello from CompletableFuture";});// 等待异步操作完成并获取结果String result = future.get();System.out.println(result);}
}

 

总结

Java的并发包java.util.concurrent提供了一套强大的工具集，用于简化多线程程序的开发。无论是执行大量异步任务的线程池管理，还是精细的线程同步控制，或是高效的并发数据结构，Java并发包都能提供相应的解决方案。通过合理利用这些工具，可以大幅提升Java应用程序的性能、可靠性和可维护性。了解并掌握这些并发工具，对于每一个Java开发者来说都是非常重要的。

 

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