【JavaEE多线程】深入解析Java并发工具类与应用实践-阿里云开发者社区

【JavaEE多线程】深入解析Java并发工具类与应用实践

2024-04-19 110

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简介： 【JavaEE多线程】深入解析Java并发工具类与应用实践

JUC(java.util.concurrent)的常见类

concurrent：并发（多线程）

Callable 接口

Callable 是一个 interface。也是一种创建多线程的方式，相当于把线程封装了一个 “返回值”。方便程序员借助多线程的方式计算结果。

Runnable能表示一个任务（run方法），返回void

Callable也能表示一个任务（call方法），返回一个具体的值，类型可以通过泛型参数来指定（Object）

如果进行多线程操作，如果你关心多线程执行的过程，使用Runnable，比如线程池，定时器，就是用的Runnable只关心过程

如果进行多线程操作，如果你关心多线程的计算结果，使用Callable，比如通过多线程的方式计算一个公式，计算1+2+…+1000

代码示例：创建线程计算 1 + 2 + 3 + … + 1000

不使用 Callable 版本

创建一个类 Result , 包含一个 sum 表示最终结果, lock 表示线程同步使用的锁对象.
main 方法中先创建 Result 实例, 然后创建一个线程 t. 在线程内部计算 1 + 2 + 3 + … + 1000.
主线程同时使用 wait 等待线程 t 计算结束. (注意, 如果执行到 wait 之前, 线程 t 已经计算完了, 就不必等待了).

当线程 t 计算完毕后, 通过 notify 唤醒主线程, 主线程再打印结果.

static class Result {
    public int sum = 0;
    public Object lock = new Object();
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    Result result = new Result();
    Thread t = new Thread() {
        @Override
        public void run() {
            int sum = 0;
            for (int i = 1; i <= 1000; i++) {
                sum += i;
           }
            synchronized (result.lock) {
                result.sum = sum;
                result.lock.notify();
           }
       }
   };
    t.start();
    synchronized (result.lock) {
        while (result.sum == 0) {
            result.lock.wait();
       }
        System.out.println(result.sum);
   }
}

可以看到, 上述代码需要一个辅助类 Result, 还需要使用一系列的加锁和 wait notify 操作, 代码复杂, 容易出错.

使用 Callable 版本

创建一个匿名内部类, 实现 Callable 接口. Callable 带有泛型参数. 泛型参数表示返回值的类型.
重写 Callable 的 call 方法, 完成累加的过程. 直接通过返回值返回计算结果.
把 callable 实例使用 FutureTask 包装一下.
创建线程, 线程的构造方法传入 FutureTask . 此时新线程就会执行 FutureTask 内部的 Callable 的call 方法, 完成计算. 计算结果就放到了 FutureTask 对象中.

在主线程中调用 futureTask.get() 能够阻塞等待新线程计算完毕. 并获取到 FutureTask 中的结果.

Callable<Integer> callable = new Callable<Integer>() {
    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        int sum = 0;
        for (int i = 1; i <= 1000; i++) {
            sum += i;
       }
        return sum;
   }
};
FutureTask<Integer> futureTask = new FutureTask<>(callable);
Thread t = new Thread(futureTask);//使用Callable不能作为Thread的构造方法参数，是借助FutureTask
t.start();
int result = futureTask.get();//通过FutureTask获取Callable的call方法的结果，get类似join一样，如果call方法没算完会阻塞等待
System.out.println(result);

可以看到, 使用 Callable 和 FutureTask 之后, 代码简化了很多, 也不必手动写线程同步代码了.

理解Callable

Callable和 Runnable 相对, 都是描述一个 “任务”. Callable 描述的是带有返回值的任务, Runnable 描述的是不带返回值的任务.

Callable 通常需要搭配 FutureTask 来使用. FutureTask 用来保存 Callable 的返回结果. 因为Callable 往往是在另一个线程中执行的, 啥时候执行完并不确定.

FutureTask 就可以负责这个等待结果出来的工作.

理解FutureTask

想象去吃麻辣烫. 当餐点好后, 后厨就开始做了. 同时前台会给你一张 “小票” . 这个小票就是FutureTask. 后面我们可以随时凭这张小票去查看自己的这份麻辣烫做出来了没

目前为止学到的创建线程的方式：

直接继承Thread
实现Runnable
使用lambda
使用线程池
使用Callable

其中1、2、5搭配匿名内部类使用

ReentrantLock

可重入互斥锁，和 synchronized 定位类似，都是用来实现互斥效果，保证线程安全

ReentrantLock的用法：

lock()：加锁，如果获取不到锁就死等
trylock(超时时间)：加锁，如果获取不到锁，等待一定的时间之后就放弃加锁
unlock()：解锁

ReentrantLock具有一些特点，是synchronized 不具备的功能：

提供了一个tryLock方法进行加锁：

对于lock操作，如果加锁不成功，就会阻塞等待（死等）

对于tryLock，如果加锁失败，直接返回false/也可以设定等待时间

ReentrantLock有两种模式，可以在工作在公平锁状态下，也可以工作在非公平锁状态下。构造方法中通过参数设定的公平/非公平模式
ReentrantLock也有等待通知机制，搭配Condition这样的类来完成，这里的等待通知要比wait、notify功能更强
但是ReentrantLock也可能容易遗漏unlock()，通常使用finally来执行

ReentrantLock 和 synchronized 的区别：

synchronized 是一个关键字，是 JVM 内部实现的(大概率是基于 C++ 实现)。ReentrantLock 是标准库的一个类，在 JVM 外实现的(基于 Java 实现)。
synchronized 使用时不需要手动释放锁。ReentrantLock 使用时需要手动释放。使用起来更灵活，但是也容易遗漏 unlock.
synchronized 在申请锁失败时，会死等. ReentrantLock 可以通过 trylock 的方式等待一段时间就放弃.
synchronized 是非公平锁。ReentrantLock 默认是非公平锁，可以通过构造方法传入一个 true 开启公平锁模式.。

如何选择使用哪个锁?

锁竞争不激烈的时候，使用 synchronized，效率更高，自动释放更方便（实际开发也是用synchronized多）
锁竞争激烈的时候，使用 ReentrantLock，搭配 trylock 更灵活控制加锁的行为，而不是死等
如果需要使用公平锁，使用 ReentrantLock

原子类

原子类内部用的是 CAS 实现，所以性能要比加锁实现 i++ 高很多。原子类有以下几个

AtomicBoolean
AtomicInteger
AtomicIntegerArray
AtomicLong
AtomicReference
AtomicStampedReference

以 AtomicInteger 举例，常见方法有

addAndGet(int delta);   i += delta;
decrementAndGet(); --i;
getAndDecrement(); i--;
incrementAndGet(); ++i;
getAndIncrement(); i++;

应用场景：

计数需求

播放量、点赞量…

统计效果

统计出现错误的请求数目、统计收到的请求数目（衡量服务器的压力）、统计每个请求的响应时间=>平均响应时间（衡量服务器的运行效率）…

通过上述统计内容，实现监控服务器，获取/统计/展示/报警

线程池

虽然创建销毁线程比创建销毁进程更轻量，但是在频繁创建销毁线程的时候还是会比较低效.

线程池就是为了解决这个问题。如果某个线程不再使用了，并不是真正把线程释放，而是放到一个 “池子” 中，下次如果需要用到线程就直接从池子中取，不必通过系统来创建了。

ExecutorService 和 Executors

代码示例：

ExecutorService 表示一个线程池实例.

Executors 是一个工厂类，能够创建出几种不同风格的线程池.
ExecutorService 的 submit 方法能够向线程池中提交若干个任务.

ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(10);
pool.submit(new Runnable() {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("hello");
   }
});

Executors 创建线程池的几种方式

newFixedThreadPool：创建固定线程数的线程池
newCachedThreadPool：创建线程数目动态增长的线程池.
newSingleThreadExecutor：创建只包含单个线程的线程池.
newScheduledThreadPool：设定延迟时间后执行命令，或者定期执行命令。是进阶版的 Timer.

Executors 本质上是 ThreadPoolExecutor 类的封装.

ThreadPoolExecutor

ThreadPoolExecutor 提供了更多的可选参数，可以进一步细化线程池行为的设定.

ThreadPoolExecutor 的构造方法

信号量 Semaphore

信号量, 用来表示 “可用资源的个数”. 本质上就是一个计数器，描述的是当前这个线程，是否“有临界资源可以用”

临界资源：多个线程/进程等并发执行的实体可以公共使用到的资源（多个线程修改同一个资源，这个变量就可以认为是临界资源）

理解信号量

可以把信号量想象成是停车场的展示牌: 当前有车位 100 个. 表示有 100 个可用资源.

当有车开进去的时候, 就相当于申请一个可用资源, 可用车位就 -1 (这个称为信号量的 P 操作)

当有车开出来的时候, 就相当于释放一个可用资源, 可用车位就 +1 (这个称为信号量的 V 操作)

如果计数器的值已经为 0 了, 还尝试申请资源, 就会阻塞等待, 直到有其他线程释放资源.

这个阻塞等待的过程有点像锁是吧。

锁，本质上就是一个特殊的信号量（里面的数值，非0即1，二元信号量）

信号量要比锁更广义，不仅可以描述一个资源，还可以描述N个资源。

但还是锁用的更多一些

Semaphore 的 PV 操作中的加减计数器操作都是原子的, 可以在多线程环境下直接使用.

CountDownLatch

针对特定场景一个组件

同时等待 N 个任务执行结束

好像跑步比赛，10个选手依次就位，哨声响才同时出发；所有选手都通过终点，才能公布成绩。

构造 CountDownLatch 实例，初始化 10 表示有 10 个任务需要完成.
每个任务执行完毕, 都调用 latch.countDown()，在 CountDownLatch 内部的计数器同时自减.
主线程中使用 latch.await()，阻塞等待所有任务执行完毕，相当于计数器为 0 了。（这里await的a是all的意思）

集合类

原来的集合类，大部分都不是线程安全的

Vector，Stack，HashTable，是线程安全的(不建议用)，其他的集合类不是线程安全的

Vector、HashTable是上古时期搞出来的集合类

加了锁不一定就线程安全了，不加锁也不一定就线程不安全了

多线程环境使用 ArrayList

自己使用同步机制 (synchronized 或者 ReentrantLock)
Collections.synchronizedList(new ArrayList)

synchronizedList 是标准库提供的一个基于 synchronized 进行线程同步的 List.

synchronizedList 的关键操作上都带有 synchronized

相当于让ArrayList像Vector一样使用

使用 CopyOnWriteArrayList

CopyOnWrite容器即写时复制的容器。

当我们往一个容器添加元素的时候，不直接往当前容器添加，而是先将当前容器进行Copy，复制出一个新的容器，然后新的容器里添加元素，
添加完元素之后，再将原容器的引用指向新的容器。

这样做的好处是我们可以对CopyOnWrite容器进行并发的读，而不需要加锁，因为当前容器不会

添加任何元素。

所以CopyOnWrite容器也是一种读写分离的思想，读和写不同的容器。

优点：

在读多写少的场景下, 性能很高, 不需要加锁竞争.

缺点：

占用内存较多.
新写的数据不能被第一时间读取到.

多线程环境使用队列

ArrayBlockingQueue

基于数组实现的阻塞队列

LinkedBlockingQueue

基于链表实现的阻塞队列

PriorityBlockingQueue

基于堆实现的带优先级的阻塞队列

TransferQueue

最多只包含一个元素的阻塞队列

多线程环境使用哈希表

HashMap 本身不是线程安全的

在多线程环境下使用哈希表可以使用：

Hashtable
ConcurrentHashMap

Hashtable

只是简单的把关键方法加上了 synchronized 关键字

public synchronized V put(K key, V value) {

public synchronized V get(Object key) {

这相当于直接针对 Hashtable 对象本身加锁

如果多线程访问同一个 Hashtable 就会直接造成锁冲突
size 属性也是通过 synchronized 来控制同步，也是比较慢的
一旦触发扩容, 就由该线程完成整个扩容过程。这个过程会涉及到大量的元素拷贝，效率会非常低

ConcurrentHashMap

相比于 Hashtable 做出了一系列的改进和优化. 以 Java1.8 为例

读操作没有加锁(但是使用了 volatile 保证从内存读取结果), 只对写操作进行加锁. 加锁的方式仍然是用 synchronized, 但是不是锁整个对象, 而是 “锁桶” (用每个链表的头结点作为锁对象), 大大降低了锁冲突的概率.

充分利用 CAS 特性. 比如 size 属性通过 CAS 来更新. 避免出现重量级锁的情况.
优化了扩容方式: 化整为零

发现需要扩容的线程, 只需要创建一个新的数组, 同时只搬几个元素过去.
扩容期间, 新老数组同时存在.

后续每个来操作 ConcurrentHashMap 的线程, 都会参与搬家的过程. 每个操作负责搬运一小
部分元素.
搬完最后一个元素再把老数组删掉.
这个期间, 插入只往新数组加.
这个期间, 查找需要同时查新数组和老数组

【JavaEE多线程】深入解析Java并发工具类与应用实践

JUC(java.util.concurrent)的常见类

Callable 接口

ReentrantLock

原子类

线程池

ExecutorService 和 Executors

ThreadPoolExecutor

信号量 Semaphore

CountDownLatch

集合类

多线程环境使用 ArrayList

多线程环境使用队列

多线程环境使用哈希表

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