Java 并发工具（12/30）

目录

Java 并发工具

1. Executor 框架

1.1 线程池

1.2 ExecutorService 和 Future

2. 同步辅助类

2.1 CountDownLatch

2.2 Semaphore

3. 并发集合

3.1 ConcurrentHashMap

总结与后续

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Java 并发工具

在多线程编程中，高效管理线程和任务至关重要。Java 提供了一系列强大的并发工具，帮助开发者更好地控制多线程任务的执行和资源管理。这些工具类不仅简化了线程管理，实现了高效的同步操作，还提高了代码的可读性和性能。本模块将深入介绍 Java 中的并发工具，包括线程池、Executor 框架、同步辅助类（如 CountDownLatch、Semaphore）以及并发集合。

1. Executor 框架

Executor 框架是 Java 并发工具的核心部分，提供了灵活的机制来创建和管理线程池。通过使用 Executor 框架，开发者可以避免手动创建和管理线程的复杂性，从而专注于任务的实现。

1.1 线程池

线程池是一种用于管理线程的工具，它维护了一定数量的线程，可以被重复使用，从而减少了频繁创建和销毁线程的开销。Java 提供了 Executors 工具类来创建不同类型的线程池，以满足不同的应用场景。

主要类型的线程池

• 固定大小线程池（Fixed Thread Pool）：适用于负载较为稳定的场景，线程数量固定。
• 缓存线程池（Cached Thread Pool）：适用于执行大量短期异步任务，线程数可根据需要自动调整。
• 单线程池（Single Thread Executor）：适用于需要顺序执行任务的场景，确保只有一个线程在执行任务。
• 调度线程池（Scheduled Thread Pool）：适用于需要在未来某个时间执行任务的场景，如定时任务。

示例：创建一个固定大小的线程池

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;public class ThreadPoolExample {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5个任务到线程池中执行for (int i = 0; i < 5; i++) {Runnable worker = new Task(i);executor.execute(worker);}// 关闭线程池，拒绝新任务的提交executor.shutdown();// 等待所有任务完成while (!executor.isTerminated()) {// 可以加入一些等待逻辑，如Thread.sleep}System.out.println("所有任务已完成");}
}class Task implements Runnable {private final int taskId;public Task(int id) {this.taskId = id;}@Overridepublic void run() {System.out.println("任务 " + taskId + " 正在执行 by " + Thread.currentThread().getName());try {// 模拟任务执行时间Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();System.out.println("任务 " + taskId + " 被中断");}}
}

说明：

在上述示例中，我们使用 Executors.newFixedThreadPool(3) 创建了一个固定大小为3的线程池，并提交了5个任务进行执行。线程池中的线程会被重复使用来执行这些任务，从而避免了频繁创建和销毁线程的开销。executor.shutdown() 方法用于关闭线程池，不再接受新任务，同时等待已提交的任务执行完毕。

1.2 ExecutorService 和 Future

ExecutorService 接口扩展了 Executor，提供了一些用于管理任务生命周期的方法，例如提交任务并获取结果。Future 接口用于表示异步计算的结果，允许我们在任务完成后检索其结果或取消任务。

示例：提交任务并获取返回值

import java.util.concurrent.Callable;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future;public class CallableExample {public static void main(String[] args) {// 创建一个单线程的ExecutorServiceExecutorService executor = Executors.newSingleThreadExecutor();// 定义一个Callable任务，可以返回结果Callable<Integer> callableTask = () -> {Thread.sleep(1000); // 模拟耗时操作return 42;};// 提交任务并获取Future对象Future<Integer> future = executor.submit(callableTask);try {// 获取任务的执行结果，调用get()会阻塞直到任务完成System.out.println("结果: " + future.get());} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {e.printStackTrace();} finally {// 关闭ExecutorServiceexecutor.shutdown();}}
}

说明：

在这个例子中，我们使用 Callable 创建了一个可以返回结果的任务，并通过 Future 获取异步计算的结果。Future.get() 方法会阻塞当前线程，直到任务完成并返回结果。此外，ExecutorService 提供了多种提交任务的方法，如 submit 和 invokeAll，以满足不同的需求。

2. 同步辅助类

Java 提供了一些同步辅助类来帮助协调多个线程之间的操作，例如 CountDownLatch、CyclicBarrier 和 Semaphore。这些类简化了线程间的同步和协调，提高了并发编程的效率和可读性。

2.1 CountDownLatch

CountDownLatch 允许一个或多个线程等待，直到其他线程完成某些操作。它使用一个计数器，初始化为需要等待的线程数量，每当一个线程完成操作时，计数器减一。当计数器达到零时，所有等待的线程被唤醒。

示例：使用 CountDownLatch 等待所有任务完成

import java.util.concurrent.CountDownLatch;public class CountDownLatchExample {public static void main(String[] args) throws InterruptedException {int threadCount = 3;// 创建一个CountDownLatch，初始计数为3CountDownLatch latch = new CountDownLatch(threadCount);// 启动3个工作线程for (int i = 0; i < threadCount; i++) {new Thread(new Worker(latch, i)).start();}System.out.println("主线程等待所有工作线程完成...");// 主线程等待计数器减到零latch.await();System.out.println("所有工作线程已完成");}
}class Worker implements Runnable {private final CountDownLatch latch;private final int workerId;public Worker(CountDownLatch latch, int id) {this.latch = latch;this.workerId = id;}@Overridepublic void run() {try {System.out.println("工作线程 " + workerId + " 正在工作");// 模拟工作时间Thread.sleep(1000 + (int)(Math.random() * 2000));System.out.println("工作线程 " + workerId + " 完成工作");} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();System.out.println("工作线程 " + workerId + " 被中断");} finally {// 完成工作，计数器减一latch.countDown();}}
}

说明：

在这个例子中，主线程创建了一个 CountDownLatch，初始计数为3，然后启动了3个工作线程。每个工作线程在完成任务后调用 latch.countDown()，使计数器减一。主线程通过 latch.await() 方法等待所有工作线程完成任务，计数器达到零后继续执行。

2.2 Semaphore

Semaphore 用于控制同时访问某个资源的线程数量。它维护了一个许可证集合，线程在访问资源前必须获取许可证，使用完毕后释放许可证。通过调整许可证的数量，可以限制同时访问资源的线程数。

示例：使用 Semaphore 限制访问

import java.util.concurrent.Semaphore;public class SemaphoreExample {public static void main(String[] args) {// 创建一个Semaphore，许可数量为2Semaphore semaphore = new Semaphore(2);// 启动5个线程尝试访问受限资源for (int i = 0; i < 5; i++) {new Thread(new LimitedResourceTask(semaphore, i)).start();}}
}class LimitedResourceTask implements Runnable {private final Semaphore semaphore;private final int taskId;public LimitedResourceTask(Semaphore semaphore, int id) {this.semaphore = semaphore;this.taskId = id;}@Overridepublic void run() {try {// 尝试获取许可证semaphore.acquire();System.out.println("任务 " + taskId + " 正在访问受限资源 by " + Thread.currentThread().getName());// 模拟资源访问时间Thread.sleep(1000);} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();System.out.println("任务 " + taskId + " 被中断");} finally {// 释放许可证semaphore.release();System.out.println("任务 " + taskId + " 释放了资源");}}
}

在这个例子中，我们使用 Semaphore 控制同时访问受限资源的线程数量为 2。

3. 并发集合

Java 提供了一些线程安全的并发集合类，例如 ConcurrentHashMap、CopyOnWriteArrayList，它们可以在多线程环境中安全地进行操作。

3.1 ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap 是线程安全的哈希表，适用于高并发的场景。

示例：使用 ConcurrentHashMap

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;public class ConcurrentHashMapExample {public static void main(String[] args) {ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3);for (int i = 0; i < 3; i++) {executor.execute(() -> {for (int j = 0; j < 5; j++) {map.put(Thread.currentThread().getName() + "-" + j, j);}});}executor.shutdown();while (!executor.isTerminated()) {}map.forEach((key, value) -> System.out.println(key + ": " + value));}
}

在这个例子中，多个线程同时向 ConcurrentHashMap 中添加数据，ConcurrentHashMap 可以确保线程安全性。

总结与后续

在本模块中，我们学习了 Java 的并发工具，包括线程池、Executor 框架、同步辅助类（如 CountDownLatch、Semaphore）和并发集合。这些工具可以帮助开发者更有效地管理多线程任务，提高程序的性能和可靠性。

在下一模块中，我们将学习 Java 内部类，探讨如何在类的内部定义类，以及内部类的用途和优势，帮助我们编写更紧凑和组织良好的代码结构。