Java 8并發(fā)工具包簡介

Java 8并發(fā)工具包由3個包組成，分別是java.util.concurrent、java.util.concurrent.atomic和java.util.concurrent.locks，提供了大量關(guān)于并發(fā)的接口、類、原子操作類、鎖相關(guān)類。借助java.util.concurrent包，可以非常輕松地實現(xiàn)復(fù)雜的并發(fā)操作。java.util.concurrent包主要包含以下內(nèi)容，后文將具體介紹：

阻塞隊列：多種阻塞隊列的實現(xiàn)，在隊列為空或滿時能夠阻塞消費者或生產(chǎn)者相關(guān)線程。

并發(fā)容器：用于并發(fā)場景的容器類型，一般無需加鎖。

線程池：創(chuàng)建單線程、固定大小或可緩存的線程池，支持周期性任務(wù)，也能夠?qū)崿F(xiàn)異步任務(wù)的返回。

鎖：用于并發(fā)同步的鎖；

原子類型：用于實現(xiàn)原子操作的數(shù)據(jù)類型，包括AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等

并發(fā)工具：用于并發(fā)場景的類，可以控制并發(fā)線程的同步、等待。

阻塞隊列BlockingQueue

在BlockingQueue中，生產(chǎn)者可以持續(xù)向隊列插入新的元素，直到隊列滿為止，隊列滿后生產(chǎn)者線程被阻塞；消費者可以持續(xù)從隊列取出元素，直到隊列空為止，隊列空后消費者線程被阻塞。

BlockingQueue提供了四種類型的操作方法，在操作不能立即執(zhí)行的情況下有不同的表現(xiàn)。

Java 8提供了多種類型的BlockingQueue實現(xiàn)類，

ArrayBlockingQueue：基于數(shù)組實現(xiàn)的有界阻塞隊列，創(chuàng)建后不能修改隊列的大小；

LinkedBlockingQueue：基于鏈表實現(xiàn)的有界阻塞隊列，默認大小為Integer.MAX_VALUE，有較好的吞吐量，但可預(yù)測性差。

PriorityBlockingQueue：具有優(yōu)先級的無界阻塞隊列，不允許插入null，所有元素都必須可比較（即實現(xiàn)Comparable接口）。

SynchronousQueue：只有一個元素的同步隊列。若隊列中有元素插入操作將被阻塞，直到隊列中的元素被其他線程取走。

DelayQueue：無界阻塞隊列，每個元素都有一個延遲時間，在延遲時間之后才釋放元素。

阻塞雙端隊列BlockingDueue

Dueue是“Double Ended Queue”的縮寫。生產(chǎn)者和消費者可以在隊列的兩端進行插入和刪除操作。

在頭部提供了四種類型的操作方法，在操作不能立即執(zhí)行的情況下有不同的表現(xiàn)。

在尾部提供了四種類型的操作方法，在操作不能立即執(zhí)行的情況下有不同的表現(xiàn)。

Java 8只提供了一種類型的BlockingDueue實現(xiàn)類，

LinkedBlockingDeque：基于雙向鏈表實現(xiàn)的有界阻塞隊列，默認大小為Integer.MAX_VALUE，有較好的吞吐量，但可預(yù)測性差。

阻塞轉(zhuǎn)移隊列TransferQueue

TransferQueue接口繼承了BlockingQueue接口，因此具有BlockingQueue接口的所有方法，并增加了一些方法。方法及作用如下：

tryTransfer(E e)：若當(dāng)前存在一個正在等待獲取的消費者線程，則該方法會即刻轉(zhuǎn)移e，并返回true；若不存在則返回false，但是并不會將e插入到隊列中。這個方法不會阻塞當(dāng)前線程，要么快速返回true，要么快速返回false。

transfer(E e)：若當(dāng)前存在一個正在等待獲取的消費者線程，即立刻將e移交之；否則將元素e插入到隊列尾部，并且當(dāng)前線程進入阻塞狀態(tài)，直到有消費者線程取走該元素。

tryTransfer(E e, long timeout, TimeUnit unit)：若當(dāng)前存在一個正在等待獲取的消費者線程，會立即傳輸給它; 否則將元素e插入到隊列尾部，并且等待被消費者線程獲取消費掉。若在指定的時間內(nèi)元素e無法被消費者線程獲取，則返回false，同時該元素從隊列中移除。

Java 8 提供了一個基于鏈表的實現(xiàn)類LinkedTransferQueue。

并發(fā)容器

工具包提供了隊列的并發(fā)實現(xiàn)類ConcurrentLinkedQueue和ConcurrentLinkedDeque，兩者都是無界非阻塞線程安全的隊列。

ConcurrentMap接口繼承了普通的Map接口，提供了線程安全和原子操作特性。Java 8 提供了實現(xiàn)類ConcurrentHashMap，ConcurrentHashMap不鎖定整個Map，只鎖定需要寫入的部分，因此并發(fā)性能比HashTable要高很多。

ConcurrentNavigableMap接口繼承了ConcurrentMap和NavigableMap接口，支持并發(fā)訪問NavigableMap，還能讓子Map具備并發(fā)訪問的能力。NavigableMap是擴展的 SortedMap，具有了針對給定搜索目標返回最接近匹配項的導(dǎo)航方法。

Java 8 提供了實現(xiàn)類ConcurrentSkipListMap，并沒有使用lock來保證線程的并發(fā)訪問和修改，而是使用了非阻塞算法來保證并發(fā)訪問，高并發(fā)時相對于TreeMap有明顯的優(yōu)勢。

工具包提供了NavigableSet的并發(fā)實現(xiàn)類ConcurrentSkipListSet，是線程安全的有序集合，適用于高并發(fā)的場景，通過ConcurrentSkipListMap實現(xiàn)。

工具包提供了兩個寫時復(fù)制容器，即CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet。寫時復(fù)制技術(shù)是一種優(yōu)化策略，多個線程可以并發(fā)訪問同一份數(shù)據(jù)，當(dāng)有線程要修改時才進行復(fù)制然后修改。在Linux系統(tǒng)中，fork進程后，子進程先與父進程共享數(shù)據(jù)，需要修改時才用寫時復(fù)制得到自己的副本。在Java中，寫時復(fù)制容器在修改數(shù)據(jù)后，把原來容器的引用指向新容器，來實現(xiàn)讀寫分離，在并發(fā)讀寫中不需要加鎖。寫時復(fù)制容器適用于讀多寫少的場景，在復(fù)制時會占用較多內(nèi)存，能夠保證最終一致性，但無法保證瞬時一致性。

線程池

工具包中Executor接口定義了執(zhí)行器的基本功能，即execute方法，接收Runnable對象參數(shù)并執(zhí)行Runnable中的操作。

ExecutorService接口繼承Executor接口后增加了關(guān)于執(zhí)行器服務(wù)的定義，如關(guān)閉、立即關(guān)閉、檢查關(guān)閉、等待終止、提交有返回值的任務(wù)、批量提交任務(wù)等。通過Executors的工廠方法獲取ExecutorService的具體實現(xiàn)，目前Executors可以返回的實現(xiàn)類型如下：

FixedThreadPool：固定大小的線程池，創(chuàng)建時指定大小；

WorkStealingPool：擁有多個任務(wù)隊列（以便減少連接數(shù)）的線程池；

SingleThreadExecutor：單線程執(zhí)行器，顧名思義只有一個線程執(zhí)行任務(wù)；

CachedThreadPool：根據(jù)需要創(chuàng)建線程，可以重復(fù)利用已存在的線程來執(zhí)行任務(wù)；

SingleThreadScheduledExecutor：根據(jù)時間計劃延遲創(chuàng)建單個工作線程或者周期性創(chuàng)建的單線程執(zhí)行器；

ScheduledThreadPool：能夠延后執(zhí)行任務(wù)，或者按照固定的周期執(zhí)行任務(wù)。

如果希望在任務(wù)執(zhí)行完成后得到任務(wù)的返回值，可以調(diào)用submit方法傳入Callable任務(wù)，并通過返回的Future對象查看任務(wù)執(zhí)行是否完成，并獲取返回值。

線程分叉與合并

ForkJoinPool 讓我們可以很方便地把任務(wù)分裂成幾個更小的任務(wù)，這些分裂出來的任務(wù)也將會提交給 ForkJoinPool。任務(wù)可以繼續(xù)分割成更小的子任務(wù)，只要它還能分割。分叉和合并原理包含兩個遞歸進行的步驟。兩個步驟分別是分叉步驟和合并步驟。

一個使用了分叉和合并原理的任務(wù)可以將自己分叉(分割)為更小的子任務(wù)，這些子任務(wù)可以被并發(fā)執(zhí)行。如下圖所示：

通過把自己分割成多個子任務(wù)，每個子任務(wù)可以由不同的 CPU 并行執(zhí)行，或者被同一個 CPU 上的不同線程執(zhí)行。

只有當(dāng)給的任務(wù)過大，把它分割成幾個子任務(wù)才有意義。把任務(wù)分割成子任務(wù)有一定開銷，因此對于小型任務(wù)，這個分割的消耗可能比每個子任務(wù)并發(fā)執(zhí)行的消耗還要大。

什么時候把一個任務(wù)分割成子任務(wù)是有意義的，這個界限也稱作一個閥值。這要看每個任務(wù)對有意義閥值的決定。很大程度上取決于它要做的工作的種類。

當(dāng)一個任務(wù)將自己分割成若干子任務(wù)之后，該任務(wù)將等待所有子任務(wù)結(jié)束。一旦子任務(wù)執(zhí)行結(jié)束，該任務(wù)可以把所有結(jié)果合并到同一個結(jié)果。圖示如下：

鎖

使用鎖實現(xiàn)的同步機制很像synchronized塊，但是比synchronized塊更靈活。鎖和synchronized的主要區(qū)別在于：

Synchronized塊不能保證等待進入塊的線程的訪問順序；

Synchronized塊無法接收參數(shù)，不能在有超時時間限制的情況下嘗試訪問；

Synchronized塊必須包含在單個方法中，而鎖的lock和unlock操作可以在單獨的方法中。

工具包提供了以下幾種類型的鎖：

ReadWriteLock：讀寫鎖接口，允許多個線程讀取某個資源，但是一次只能有一個線程進行寫操作。內(nèi)部有讀鎖、寫鎖兩個接口，分別保護讀操作和寫操作。實現(xiàn)類為ReentrantReadWriteLock。

ReentrantLock：可重入鎖，具有與使用 synchronized 方法和語句所訪問的隱式監(jiān)視器鎖定相同的一些基本行為和語義，但功能更強大。ReentrantLock 將由最近成功獲得鎖定，并且還沒有釋放該鎖定的線程所擁有。當(dāng)鎖定沒有被另一個線程所擁有時，調(diào)用 lock 的線程將成功獲取該鎖定并返回。如果當(dāng)前線程已經(jīng)擁有該鎖定，此方法將立即返回。內(nèi)部有一個計數(shù)器，擁有鎖的線程每鎖定一次，計數(shù)器加1，每釋放一次計數(shù)器減1。

原子類型

工具包提供了一些可以用原子方式進行讀寫的變量類型，支持無鎖線程安全的單變量編程。

本質(zhì)上，這些類都擴展了volatile的概念，使用一個volatile類型的變量來存儲實際數(shù)據(jù)。

工具包提供了4種類型的原子變量類型：

AtomicBoolean：可原子操作的布爾對象；

AtomicInteger：可原子操作的整形對象；

AtomicLong：可原子操作的長整形對象；

AtomicReference：可原子操作的對象引用。

以AtomicInteger為例。在Java中i++和++i操作并不是線程安全的，需要加鎖。AtomicInteger提供了以下幾種線程安全的操作方法：

在此基礎(chǔ)上，工具包還提供了原子性的數(shù)組類型，包括AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray。

并發(fā)工具

CountDownLatch

CountDownLatch用于一個或者多個線程等待一系列指定操作的完成。初始化時，給定一個數(shù)量，每調(diào)用一次countDown() 方法數(shù)量減一。其他線程調(diào)用await方法等待時，線程會阻塞到數(shù)量減到0才開始執(zhí)行。

CyclicBarrier 柵欄

CyclicBarrier是一種同步機制，它能夠?qū)μ幚硪恍┧惴ǖ木€程實現(xiàn)同步。換句話講，它就是一個所有線程必須等待的一個柵欄，直到所有線程都到達這里，然后所有線程才可以繼續(xù)做其他事情。在下圖的流程中，線程1和線程2都到達第一個柵欄后才能夠繼續(xù)運行。如果線程1先到線程2后到，則線程1需要等待線程2到達柵欄處，然后兩個線程才能繼續(xù)運行。

Exchanger 交換機

Exchanger類表示一種會合點，兩個線程可以在這里交換對象。兩個線程各自調(diào)用exchange方法進行交換，當(dāng)線程A調(diào)用Exchange對象的exchange()方法后，它會陷入阻塞狀態(tài)，直到線程B也調(diào)用了exchange()方法，然后以線程安全的方式交換數(shù)據(jù)，之后線程A和B繼續(xù)運行。

Semaphore 信號量

Semaphore 可以很輕松完成信號量控制，Semaphore可以控制某個資源可被同時訪問的個數(shù)，通過 acquire() 獲取一個許可，如果沒有就等待，而 release() 釋放一個許可。

ThreadLocalRandom產(chǎn)生并發(fā)隨機數(shù)

使用Math.random()產(chǎn)生隨機數(shù)，使用原子變量來保存當(dāng)前的種子，這樣兩個線程同時調(diào)用序列時得到的是偽隨機數(shù)，而不是相同數(shù)量的兩倍。ThreadLocalRandom提供并發(fā)產(chǎn)生的隨機數(shù)，能夠解決多個線程發(fā)生的競爭爭奪。

原文地址：Java 8并發(fā)工具包漫游指南