Java并发基础：一文讲清util.concurrent包的作用

java.util.concurrent包是 Java 中用于并发编程的重要工具集，提供了线程池、原子变量、并发集合、同步工具类、阻塞队列等一系列高级并发工具类，使用这些工具类可以极大地简化并发编程的难度，减少出错的可能性，提高程序的效率和可维护性。

官方文档地址：https://docx.iamqiang.com/jdk11/api/java.base/java/util/concurrent/package-summary.html

Executor Framework（执行器框架）

Executor Framework是Java并发编程中一个非常强大的组件，它提供了一种标准的方法来启动、管理和控制线程的执行，执行器框架主要由接口和类组成，如Executor、Executors、ExecutorService、Future和Callable，这些组件共同协作，提供了一种灵活且高效的线程管理机制。

以下是关于执行器框架中一些关键组件的说明：

1. Executor接口：这是执行器框架中最基本的接口，它定义了一个execute方法，用于接收一个实现了Runnable接口的对象，并启动一个新线程来执行该对象的run方法，Executor接口并不严格要求实现如何创建、调度或管理线程，这些具体实现细节由它的实现类来定义。
2. Executors类：这是一个工具类，提供了多种类型的线程池创建方法，例如newFixedThreadPool（创建固定大小的线程池）、newCachedThreadPool（创建可缓存的线程池）和newSingleThreadExecutor（创建单线程的线程池）等，这些线程池内部实际上都是实现了ExecutorService接口的对象。
3. ExecutorService接口：这个接口扩展了Executor接口，添加了一些用于管理和控制线程执行的方法，例如：shutdown（平滑地关闭线程池）、shutdownNow（立即关闭线程池）、awaitTermination（等待所有任务执行完毕后再关闭线程池）等，此外，ExecutorService还提供了submit方法，可以接收Runnable或Callable对象，并返回一个Future对象来跟踪任务的执行状态。
4. Future接口和Callable接口：这两个接口通常一起使用，Callable接口类似于Runnable接口，但它允许有返回值，并且可以抛出异常，Future接口表示异步计算的结果，它提供了检查计算是否完成的方法，以等待计算的完成，并检索计算的结果。

下面是一个使用执行器框架的简单示例，展示了如何创建一个固定大小的线程池，提交任务，并处理返回结果，如下代码：

import java.util.concurrent.ExecutorService;  
import java.util.concurrent.Executors;  
import java.util.concurrent.Future;  
  
public class ExecutorFrameworkExample {  
    public static void main(String[] args) {  
        // 创建一个固定大小为3的线程池  
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);  
  
        // 提交任务并获取Future对象  
        Future<String> future = executor.submit(() -> {  
            // 模拟耗时操作  
            Thread.sleep(1000);  
            return "任务完成";  
        });  
  
        // 做其他事情...  
  
        // 获取任务结果（如果任务还未完成，会阻塞等待）  
        try {  
            String result = future.get();  
            System.out.println(result);  
        } catch (Exception e) {  
            e.printStackTrace();  
        }  
  
        // 关闭线程池  
        executor.shutdown();  
    }  
}

在实际应用中，通常不会在线程池刚提交任务后就立即关闭它，而是会等待所有任务都提交完毕后再关闭，此外，future.get()方法会阻塞当前线程直到任务完成，因此在需要等待任务完成的场景下应该谨慎使用，以避免死锁或不必要的线程阻塞。执行器框架通过提供这些高级抽象，使得开发者能够更专注于任务的逻辑，而不用过多关心线程的创建、调度和管理等底层细节，从而极大地简化了并发编程的复杂性。

Concurrent Collections（并发集合）

Concurrent Collections是设计用于支持并发编程的一组数据结构，在并发编程中，当多个线程同时访问和修改共享数据时，如果没有适当的同步措施，就可能导致数据不一致和其他并发问题，为了避免这些问题，Java提供了一些线程安全的集合类，称为并发集合。并发集合位于java.util.concurrent包中，它们通过内部实现来确保多个线程可以安全地并发访问这些集合，而无需在客户端代码中进行额外的同步，这些集合使用了各种复杂的算法和数据结构来最小化线程间的竞争，从而提供更高的吞吐量。

以下是一些常见的并发集合类：

1. ConcurrentHashMap：这是一个线程安全的HashMap实现，它允许多个线程同时读写映射表，而不会相互阻塞，它通过分段锁或其他并发控制技术（如Java 8中的ConcurrentHashMap使用的CAS操作和同步控制）来实现高并发性。
2. CopyOnWriteArrayList：这是一个线程安全的ArrayList实现，它通过在修改时复制底层数组来实现线程安全，读取操作不需要锁定，因为它们在内部数组的一个快照上执行，而写入操作则创建一个新的数组副本，修改它，然后原子地将其替换为当前数组。
3. ConcurrentLinkedQueue：这是一个基于链接节点的无界线程安全队列，它按照FIFO（先进先出）原则对元素进行排序，多个线程可以安全地并发访问此队列，它使用高效的非阻塞算法来实现。
4. ConcurrentSkipListMap和ConcurrentSkipListSet：这些是基于跳表（Skip List）数据结构实现的并发有序集合，它们提供了与TreeMap和TreeSet类似的功能，但是支持更高并发的读写操作。
5. ConcurrentLinkedDeque：这是一个双端队列（Deque），支持在队列的两端进行高效的插入和移除操作，它是线程安全的，并且允许多个线程并发访问。
6. BlockingQueue接口及其实现：这个接口定义了一个线程安全的队列，该队列在尝试检索元素但队列为空时，会阻塞检索线程，直到队列中有元素可用，同样，当队列已满时，尝试添加元素的线程也会被阻塞，直到队列中有可用空间。ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、PriorityBlockingQueue和SynchronousQueue等是该接口的一些常用实现。

并发集合的使用场景主要是在多线程环境中，当需要一个数据结构来安全地共享数据时，使用这些集合可以减少编写和维护复杂的同步代码的需要，同时提高程序的性能和可伸缩性。

如下是使用ConcurrentHashMap代码示例，如下代码：

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;  
  
public class ConcurrentCollectionExample {  
    public static void main(String[] args) {  
        ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();  
  
        // 多个线程可以安全地并发访问这个 map  
        map.put("apple", 1);  
        map.put("banana", 2);  
  
        System.out.println(map.get("apple")); // 输出 1  
    }  
}

ConcurrentHashMap是一种高效的线程安全的哈希表实现，它允许多个线程并发地读写数据，而不需要额外的同步。

Atomic Variables（原子变量）

Atomic Variables（原子变量）是并发编程中用于实现线程安全的一种机制，原子变量提供了一种在多线程环境中安全地读取、修改和更新变量的方式，而不需要额外的同步措施。在并发编程中，当多个线程同时访问和修改共享变量时，如果没有适当的同步措施，可能会导致数据不一致和其他并发问题，为了解决这个问题，通常需要使用锁或其他同步机制来确保对变量的访问是原子的。

原子变量提供了一种更简洁、高效的方式来实现线程安全的数据更新，它们通过内部机制来确保对变量的操作是原子的，从而避免了显式的同步，原子变量通常在底层使用硬件支持或特殊的指令来实现原子操作，这使得它们在性能上优于传统的同步机制。

原子变量在Java中主要通过java.util.concurrent.atomic包中的类实现，例如AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean等，这些类提供了各种原子操作方法，如incrementAndGet()、decrementAndGet()、compareAndSet()等，这些方法对底层变量执行原子操作，并返回操作后的值。

如下是使用AtomicInteger的代码示例：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;  
  
public class AtomicVariableExample {  
    public static void main(String[] args) {  
        AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(0);  
  
        // 多个线程可以安全地并发更新这个原子整数  
        int oldValue = atomicInt.getAndIncrement(); // 原子性地自增并返回旧值  
        System.out.println(oldValue); // 输出 0  
  
        int newValue = atomicInt.get(); // 获取当前值  
        System.out.println(newValue); // 输出 1  
    }  
}

AtomicInteger提供了一种原子性地更新整数值的方法，不需要使用synchronized关键字。

在这个示例中，increment()方法原子地增加计数器的值，而getCount()方法原子地获取计数器的值，由于这些操作是原子的，因此在多线程环境中使用AtomicInteger比使用普通的int变量更安全。原子变量在并发编程中非常有用，它们简化了线程间的同步，并提供了更高的性能。

Synchronizers（同步器）

Synchronizers（同步器）是Java并发编程中用于协调线程之间同步的组件，它们提供了一种机制，使线程能够等待、通知或限制其他线程的执行。主要包括：ReentrantLock、CountDownLatch、CyclicBarrier等，这些类为开发者提供了一系列高级同步工具，以便更好地控制线程之间的交互。

以下是几个常用的同步器：

1. ReentrantLock：这是一个互斥体，类似于内置的synchronized关键字，但提供了更多的灵活性和功能，ReentrantLock可以重入，意味着一个线程可以多次获取同一个锁，而不会导致死锁，此外，ReentrantLock还提供了更细粒度的控制，例如尝试获取锁、定时获取锁等。
2. CountDownLatch：这是一个同步辅助工具，它允许一个或多个线程等待其他线程完成一系列操作，CountDownLatch在初始化时会设置一个计数值，然后每个线程在完成其任务后调用countDown()方法减少计数值，当计数值减至0时，所有等待的线程都会被唤醒。
3. CyclicBarrier：CyclicBarrier是一个同步辅助工具，它允许一组线程相互等待，直到所有线程都达到某个状态后再一起执行，CyclicBarrier在初始化时会设置一个屏障（barrier）的初始阶段数，每个线程在完成其任务后调用await()方法在屏障处等待，当阶段数减至0时，所有线程继续执行。
4. Semaphore：Semaphore是一个计数信号量，它提供了对资源的精细控制，Semaphore维护了一个许可证计数，只有获得许可证的线程才能访问受保护的资源，当线程完成对资源的访问后，它会释放一个许可证，允许其他线程获取资源。

同步器提供了一种灵活的机制来协调线程之间的同步，它们可以帮助开发者避免死锁、竞态条件和其他并发问题。

如下是CountDownLatch代码示例：

import java.util.concurrent.CountDownLatch;  
  
public class SynchronizerExample {  
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
        int numberOfThreads = 5;  
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(numberOfThreads);  
  
        for (int i = 0; i < numberOfThreads; i++) {  
            new Thread(() -> {  
                System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getId() + " is ready");  
                latch.countDown(); // 通知 CountDownLatch 线程已准备就绪  
            }).start();  
        }  
  
        latch.await(); // 等待所有线程准备就绪  
        System.out.println("All threads are ready");  
    }  
}

在上面代码汇总，使用 CountDownLatch 来同步多个线程，确保在所有线程都准备就绪之后再继续执行主线程。

END！