JAVA并发编程J.U.C学习总结,atomic包,使用阻塞队列解决生产者-消费者问题,JAVA中的Fork/Join框架

2023年11月6日 253次阅读 来源: 风一样的码农

前言　　

学习了一段时间J.U.C，打算做个小结，个人感觉总结还是非常重要，要不然总感觉知识点零零散散的。

有错误也欢迎指正，大家共同进步；

另外，转载请注明链接，写篇文章不容易啊，http://www.cnblogs.com/chenpi/p/5614290.html

JSR 166及J.U.C

什么是JSR：

JSR，全称 Java Specification Requests， 即Java规范提案， 主要是用于向JCP(Java Community Process)提出新增标准化技术规范的正式请求。每次JAVA版本更新都会有对应的JSR更新，比如在Java 8版本中，其新特性Lambda表达式对应的是JSR 335，新的日期和时间API对应的是JSR 310。

什么是JSR 166：

当然，本文的关注点仅仅是JSR 166，它是一个关于Java并发编程的规范提案，在JDK中，该规范由java.util.concurrent包实现，是在JDK 5.0的时候被引入的；

另外JDK6引入Deques、Navigable collections，对应的是JSR 166x，JDK7引入fork-join框架，用于并行执行任务，对应的是JSR 166y。

什么是J.U.C：

即java.util.concurrent的缩写，该包参考自EDU.oswego.cs.dl.util.concurrent，是JSR 166标准规范的一个实现；

膜拜

那么，JSR 166以及J.U.C包的作者是谁呢，没错，就是Doug Lea大神，挺牛逼的，大神级别任务，贴张照片膜拜下。。。

《JAVA并发编程J.U.C学习总结,atomic包,使用阻塞队列解决生产者-消费者问题,JAVA中的Fork/Join框架》

Executor框架（线程池、 Callable 、Future）

什么是Executor框架

简单的说，就是一个任务的执行和调度框架，涉及的类如下图所示：

《JAVA并发编程J.U.C学习总结,atomic包,使用阻塞队列解决生产者-消费者问题,JAVA中的Fork/Join框架》

其中，最顶层是Executor接口，它的定义很简单，一个用于执行任务的execute方法，如下所示：

public interface Executor {
    void execute(Runnable command);
}

 另外，我们还可以看到一个Executors类，它是一个工具类（有点类似集合框架的Collections类），用于创建ExecutorService、ScheduledExecutorService、ThreadFactory 和 Callable对象。

优点：

任务的提交过程与执行过程解耦，用户只需定义好任务提交，具体如何执行，什么时候执行不需要关心；

典型步骤：

定义好任务（如Callable对象），把它提交给ExecutorService（如线程池）去执行，得到Future对象，然后调用Future的get方法等待执行结果即可。

什么是任务：

实现Callable接口或Runnable接口的类，其实例就可以成为一个任务提交给ExecutorService去执行；

其中Callable任务可以返回执行结果，Runnable任务无返回结果；

什么是线程池

通过Executors工具类可以创建各种类型的线程池，如下为常见的四种：

  1. newCachedThreadPool ：大小不受限，当线程释放时，可重用该线程；
  2. newFixedThreadPool ：大小固定，无可用线程时，任务需等待，直到有可用线程；
  3. newSingleThreadExecutor ：创建一个单线程，任务会按顺序依次执行；
  4. newScheduledThreadPool：创建一个定长线程池，支持定时及周期性任务执行

举个例子（不完整，仅仅演示流程）：

ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();//创建线程池
Task task = new Task(); //创建Callable任务
Future<Integer> result = executor.submit(task);//提交任务给线程池执行
result.get()；//等待执行结果; 可以传入等待时间参数，指定时间内没返回的话，直接结束

补充：批量任务的执行方式

方式一：首先定义任务集合，然后定义Future集合用于存放执行结果，执行任务，最后遍历Future集合获取结果；

  • 优点：可以依次得到有序的结果；
  • 缺点：不能及时获取已完成任务的执行结果；

方式二：首先定义任务集合，通过CompletionService包装ExecutorService，执行任务，然后调用其take()方法去取Future对象

  • 优点：及时得到已完成任务的执行结果
  • 缺点：不能依次得到结果

这里稍微解释下，在方式一中，从集合中遍历的每个Future对象并不一定处于完成状态，这时调用get()方法就会被阻塞住，所以后面的任务即使已完成也不能得到结果；而方式二中，CompletionService的实现是维护一个保存Future对象的BlockingQueue，只有当这个Future对象状态是结束的时候，才会加入到这个Queue中，所以调用take()能从阻塞队列中拿到最新的已完成任务的结果；

AbstractQueuedSynchronizer （AQS框架）

什么是AQS框架

AQS框架是J.U.C中实现锁及同步机制的基础，其底层是通过调用 LockSupport .unpark()和 LockSupport .park()实现线程的阻塞和唤醒。

AbstractQueuedSynchronizer是一个抽象类，主要是维护了一个int类型的state属性和一个非阻塞、先进先出的线程等待队列；其中state是用volatile修饰的，保证线程之间的可见性，队列的入队和出对操作都是无锁操作，基于自旋锁和CAS实现；另外AQS分为两种模式：独占模式和共享模式，像ReentrantLock是基于独占模式模式实现的，CountDownLatch、CyclicBarrier等是基于共享模式。

《JAVA并发编程J.U.C学习总结,atomic包,使用阻塞队列解决生产者-消费者问题,JAVA中的Fork/Join框架》

简单举个例子

非公平锁的lock方法的实现：

 final void lock() {
      //CAS操作，如果State为0（表示当前没有其它线程占有该锁），则将它设置为1
      if (compareAndSetState(0, 1))     
          setExclusiveOwnerThread(Thread.currentThread());
      else
          acquire(1);
}

首先是不管先后顺序，直接尝试获取锁（非公平的体现)，成功的话，直接独占访问；

如果获取锁失败，则调用AQS的acquire方法，在该方法内部会调用tryAcquire方法再次尝试获取锁以及是否可重入判断，如果失败，则挂起当前线程并加入到等待队列；

具体可查看ReentrantLock.NonfairSync类和AbstractQueuedSynchronizer类对应的源码。

Locks & Condition（锁和条件变量）

先看一下Lock接口提供的主要方法，如下：

  • lock()  等待获取锁
  • lockInterruptibly()  可中断等待获取锁，synchronized无法实现可中断等待
  • tryLock() 尝试获取锁，立即返回true或false
  • tryLock(long time, TimeUnit unit)    指定时间内等待获取锁
  • unlock()      释放锁
  • newCondition()   返回一个绑定到此 Lock 实例上的 Condition 实例

关于Lock接口的实现，我们主要是关注以下两个类：

  • ReentrantLock
  • ReentrantReadWriteLock

ReentrantLock

可重入锁，所谓的可重入锁，也叫递归锁，是指一个线程获取锁后，再次获取该锁时，不需要重新等待获取。ReentrantLock分为公平锁和非公平锁，公平锁指的是严格按照先来先得的顺序排队等待去获取锁，而非公平锁每次获取锁时，是先直接尝试获取锁，获取不到，再按照先来先得的顺序排队等待。

注意：ReentrantLock和synchronized都是可重入锁。

ReentrantReadWriteLock

可重入读写锁，指的是没有线程进行写操作时，多个线程可同时进行读操作，当有线程进行写操作时，其它读写操作只能等待。即“读-读能共存，读-写不能共存，写-写不能共存”。

在读多于写的情况下，读写锁能够提供比排它锁更好的并发性和吞吐量。

Condition

Condition对象是由Lock对象创建的，一个Lock对象可以创建多个Condition，其实Lock和Condition都是基于AQS实现的。

Condition对象主要用于线程的等待和唤醒，在JDK 5之前，线程的等待唤醒是用Object对象的wait/notify/notifyAll方法实现的，使用起来不是很方便；

在JDK5之后，J.U.C包提供了Condition，其中：

Condition.await对应于Object.wait；

Condition.signal 对应于 Object.notify；

Condition.signalAll 对应于 Object.notifyAll；

使用Condition对象有一个比较明显的好处是一个锁可以创建多个Condition对象，我们可以给某类线程分配一个Condition，然后就可以唤醒特定类的线程。

Synchronizers（同步器）

J.U.C中的同步器主要用于协助线程同步，有以下四种：

  1. 闭锁 CountDownLatch
  2. 栅栏 CyclicBarrier
  3. 信号量 Semaphore
  4. 交换器 Exchanger

闭锁 CountDownLatch

闭锁主要用于让一个主线程等待一组事件发生后继续执行，这里的事件其实就是指CountDownLatch对象的countDown方法。注意其它线程调用完countDown方法后，是会继续执行的，具体如下图所示：

《JAVA并发编程J.U.C学习总结,atomic包,使用阻塞队列解决生产者-消费者问题,JAVA中的Fork/Join框架》

在CountDownLatch内部，包含一个计数器，一开始初始化为一个整数（事件个数），发生一个事件后，调用countDown方法，计数器减1，await用于等待计数器为0后继续执行当前线程；

如上图：TA主线程会一直等待，直到计数cnt=0,才继续执行，

可参照之前写的一篇文章，如下链接，里面有一个闭锁的demo示例。

http://www.cnblogs.com/chenpi/p/5358579.html

栅栏 CyclicBarrier

栅栏主要用于等待其它线程，且会阻塞自己当前线程，所有线程必须同时到达栅栏位置后，才能继续执行；且在所有线程到达栅栏处，可以触发执行另外一个预先设置的线程，具体如下图所示：

《JAVA并发编程J.U.C学习总结,atomic包,使用阻塞队列解决生产者-消费者问题,JAVA中的Fork/Join框架》

在上图中，T1、T2、T3每调用一次await，计数减减，且在它们调用await方法的时候，如果计数不为0，会阻塞自己的线程；

另外，TA线程会在所有线程到达栅栏处（计数为0）的时候，才开始执行；

可参照之前写的一篇文章，如下链接，里面有一个栅栏的demo示例。

http://www.cnblogs.com/chenpi/p/5358579.html

信号量Semaphore

信号量主要用于控制访问资源的线程个数，常常用于实现资源池，如数据库连接池，线程池…

在Semaphore中，acquire方法用于获取资源，有的话，继续执行（使用结束后，记得释放资源），没有资源的话将阻塞直到有其它线程调用release方法释放资源；

《JAVA并发编程J.U.C学习总结,atomic包,使用阻塞队列解决生产者-消费者问题,JAVA中的Fork/Join框架》

可参照之前写的一篇文章，如下链接，里面有一个信号量的demo示例。

http://www.cnblogs.com/chenpi/p/5358579.html

交换器 Exchanger

交换器主要用于线程之间进行数据交换；

当两个线程都到达共同的同步点（都执行到exchanger.exchange的时刻）时，发生数据交换，否则会等待直到其它线程到达；

《JAVA并发编程J.U.C学习总结,atomic包,使用阻塞队列解决生产者-消费者问题,JAVA中的Fork/Join框架》

Atomic Variables（原子变量）

原子变量主要是方便程序员在多线程环境下，无锁的进行原子操作；

原子类是基于Unsafe实现的包装类，核心操作是CAS原子操作；所谓的CAS操作，即compare and swap，指的是将预期值与当前变量的值比较(compare)，如果相等则使用新值替换(swap)当前变量，否则不作操作；我们可以摘取一段AtomicInteger的源码，如下：

    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

在compareAndSwapInt方法中，valueOffset是内存地址，expect是预期值，update是更新值，如果valueOffset地址处的值与预期值相等，则将valueOffset地址处的值更新为update值。PS:现代CPU已广泛支持CAS指令；

在Java中，有四种原子更新方式，如下：

  • 原子方式更新基本类型； AtomicInteger 、 AtomicLong 等
  • 原子方式更新数组； AtomicIntegerArray、 AtomicLongArray等
  • 原子方式更新引用； AtomicReference、 AtomicReferenceFieldUpdater…
  • 原子方式更新字段； AtomicIntegerFieldUpdater、 AtomicStampedReference(解决CAS的ABA问题)…

更多关于原子变量，可以参考之前写的三篇文章：

atomic包 ：http://www.cnblogs.com/chenpi/p/5375805.html

AtomicInteger源码注释：http://www.cnblogs.com/chenpi/p/5357136.html

理解sun.misc.Unsafe：http://www.cnblogs.com/chenpi/p/5389254.html

提个醒：简单的自增操作，如i++，并不是一个原子操作，不过使用原子变量类进行操作，如调用incrementAndGet()方法进行自增，可以使其成为原子操作；

BlockingQueue（阻塞队列）

阻塞队列提供了可阻塞的入队和出对操作，如果队列满了，入队操作将阻塞直到有空间可用，如果队列空了，出队操作将阻塞直到有元素可用；

《JAVA并发编程J.U.C学习总结,atomic包,使用阻塞队列解决生产者-消费者问题,JAVA中的Fork/Join框架》

在Java中，主要有以下类型的阻塞队列：

  • ArrayBlockingQueue ：一个由数组结构组成的有界阻塞队列。
  • LinkedBlockingQueue ：一个由链表结构组成的有界阻塞队列。
  • PriorityBlockingQueue ：一个支持优先级排序的无界阻塞队列。
  • DelayQueue：一个支持延时获取元素的无界阻塞队列。
  • SynchronousQueue：一个不存储元素的阻塞队列。
  • LinkedTransferQueue：一个由链表结构组成的无界阻塞队列。
  • LinkedBlockingDeque：一个由链表结构组成的双向阻塞队列。

阻塞队列有一个比较典型的应用场景是解决生产者-消费者问题，具体可以参考之前写的一篇文章，里面有demo示例：

使用阻塞队列解决生产者-消费者问题 : http://www.cnblogs.com/chenpi/p/5553325.html

Concurrent Collections（并发容器）

接下来，我们来看一下工作中比较常见的一块内容，并发容器；

说到并发容器，不得不提同步容器，在JDK5之前，为了线程安全，我们一般都是使用同步容器，同步容器主要有以下缺点：

  • 同步容器对所有容器状态的访问都串行化，严重降低了并发性；
  • 某些复合操作，仍然需要加锁来保护
  • 迭代期间，若其它线程并发修改该容器，会抛出ConcurrentModificationException异常，即快速失败机制

对于复合操作，我们可以举个例子, 因为比较容易被忽视，如下代码：

public static  Integer getLast(Vector<Integer> list){
    int lastIndex = list.size() - 1;
    if(lastIndex < 0) return null;
    return list.get(lastIndex);
}

在以上代码中，虽然list集合是Vector类型，但该方法仍然不是原子操作，因为在list.size()和list.get(lastIndex)之间，可能已经发生了很多事。

那么，在JDK 5之后，有哪些并发容器呢，这里主要说两种，如下：

  • ConcurrentHashMap
  • CopyOnWriteArrayList/Set

ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap是采用分离锁技术，在同步容器中，是一个容器一个锁，但在ConcurrentHashMap中，会将hash表的数组部分分成若干段，每段维护一个锁；这些段可以并发的进行写操作，以达到高效的并发访问，如下图示例：

《JAVA并发编程J.U.C学习总结,atomic包,使用阻塞队列解决生产者-消费者问题,JAVA中的Fork/Join框架》

另外，性能是我们比较关心的，我们可以与同步容器做个对比，如下图所示，PS:该图资料来自参考内容~,我自身没做过测试：

《JAVA并发编程J.U.C学习总结,atomic包,使用阻塞队列解决生产者-消费者问题,JAVA中的Fork/Join框架》

CopyOnWriteArrayList/Set

也叫拷贝容器，指的是写数据的时候，重新拷贝一份进行写操作，完成后，再将原容器的引用指向新的拷贝容器。

适用情况：当读操作远远大于写操作的时候，考虑用这个并发集合。

Fork/Join并行计算框架

这块内容是在JDK7中引入的，个人觉得相当牛逼，可以方便利用多核平台的计算能力，简化并行程序的编写，开发人员仅需关注如何划分任务和组合中间结果。

fork/join框架的核心是ForkJoinPool类，实现了工作窃取算法（对那些处理完自身任务的线程，会从其它线程窃取任务执行）并且能够执行 ForkJoinTask任务。

适用场景：大任务能被递归拆分成多个子任务的应用； 可以参考下图，帮助理解，位于图上部的 Task 依赖于位于其下的 Task 的执行，只有当所有的子任务都完成之后，调用者才能获得 Task 0 的返回结果。其实这是一种分而治之的思想：
《JAVA并发编程J.U.C学习总结,atomic包,使用阻塞队列解决生产者-消费者问题,JAVA中的Fork/Join框架》

其实对于使用fork/join框架的开发人员来说，主要任务还是在于任务划分，可以参考如下伪代码：

if (任务足够小){
  直接执行该任务;
}else{
  将任务拆分成多个子任务;
  执行这些子任务并等待结果;
}

具体可以参考之前写的一篇文章，里面有一个使用fork/join框架进行图片水平模糊的例子：

JAVA中的Fork/Join框架 ：
http://www.cnblogs.com/chenpi/p/5581198.html

TimeUnit枚举

TimeUnit是java.util.concurrent包下面的一个枚举类，TimeUnit提供了可读性更好的线程暂停操作。

在JDK5之前，一般我们暂停线程是这样写的：

Thread.sleep（2400000）//可读性差

可读性相当的差，一眼看去，不知道睡了多久；

在JDK5之后，我们可以这样写：

 TimeUnit.SECONDS.sleep(4);
 TimeUnit.MINUTES.sleep(4);
 TimeUnit.HOURS.sleep(1);
 TimeUnit.DAYS.sleep(1);

清晰明了；

另外，TimeUnit还提供了便捷方法用于把时间转换成不同单位，例如，如果你想把秒转换成毫秒，你可以使用下面代码

TimeUnit.SECONDS.toMillis(44);// 44,000

参考资料

《并发编程实战》

《JAVA 编程思想-4版》

谷歌，百度

并发编程网

http://tutorials.jenkov.com/

http://howtodoinjava.com/category/core-java/multi-threading/

http://www.infoq.com/cn/articles/jdk1.8-abstractqueuedsynchronizer

https://zh.wikipedia.org/wiki/JCP

http://geekrai.blogspot.com/2013/07/executor-framework-in-java.html

    原文作者：风一样的码农
    原文地址: http://www.cnblogs.com/chenpi/p/5614290.html
    本文转自网络文章，转载此文章仅为分享知识，如有侵权，请联系博主进行删除。
点赞