JUC - 輔助類

JUC（java.util.concurrent）是在Java 5中引入的一個(gè)并發(fā)編程的擴(kuò)展庫，目的是為了更加方便、快捷和安全地實(shí)現(xiàn)并發(fā)編程。它提供了一系列的工具類、鎖、隊(duì)列以及原子類等來協(xié)調(diào)多線程之間的操作。

基于現(xiàn)代硬件不斷地發(fā)展，為了充分利用服務(wù)器資源，并發(fā)編程在我們的開發(fā)中已經(jīng)無處不在，今天主要了解下JUC包中提供的幾個(gè)工具類，讓我們?cè)诓l(fā)編程時(shí)提供助力。

簡(jiǎn)介

Java并發(fā)編程是一門復(fù)雜的技術(shù)，其中有一些難點(diǎn)需要特別注意。以下是一些Java并發(fā)編程的難點(diǎn)：

• 線程安全：多線程執(zhí)行的代碼必須是線程安全的，否則會(huì)產(chǎn)生競(jìng)態(tài)條件和其他問題。
• 死鎖：當(dāng)多個(gè)線程因?yàn)榛ハ嗟却渌€程釋放鎖而無法繼續(xù)執(zhí)行時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生死鎖。
• 競(jìng)態(tài)條件：當(dāng)多個(gè)線程試圖同時(shí)訪問同一個(gè)共享資源時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生競(jìng)態(tài)條件。
• 內(nèi)存可見性：多個(gè)線程同時(shí)訪問同一個(gè)變量時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存可見性問題，即一個(gè)線程對(duì)變量的修改不會(huì)立即被其他線程所感知。
• 并發(fā)集合類：Java提供了一些并發(fā)集合類，如ConcurrentHashMap和ConcurrentLinkedQueue，但使用它們需要注意一些細(xì)節(jié)問題。
• 線程池：線程池是Java并發(fā)編程中的一個(gè)重要概念，但線程池的使用也需要注意一些問題，如線程池大小、任務(wù)隊(duì)列類型等。
• CAS操作：Java提供了CAS（Compare-And-Swap）操作，可以用于實(shí)現(xiàn)非阻塞算法，但使用CAS操作需要非常小心，以免產(chǎn)生ABA問題等。

工具類

• CountDownLatch
  CountDownLatch是一個(gè)同步輔助類，使用一個(gè)給定數(shù)量的計(jì)數(shù)器，當(dāng)該計(jì)數(shù)器不為0時(shí)，將程序阻塞在wait()處，當(dāng)線程執(zhí)行完成后通過調(diào)用countDown()使計(jì)數(shù)器減一, 直到計(jì)數(shù)器為0后才會(huì)繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)代碼。 主要實(shí)現(xiàn)某個(gè)任務(wù)依賴其他一個(gè)或多個(gè)異步任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果的場(chǎng)景

核心方法：

/**
 * 定義計(jì)數(shù)器數(shù)量，用于定義多少個(gè)執(zhí)行線程
 */
public CountDownLatch(int count);
/**
 * 阻塞方法，直到計(jì)數(shù)器為0時(shí)才會(huì)繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)代碼
 */
public void await();
/**
 * 每次調(diào)用改方法，則計(jì)數(shù)器減一
 */
public void countDown();

• CyclicBarrier
  CyclicBarrier內(nèi)部同樣定義了計(jì)數(shù)器，只不過每當(dāng)有線程執(zhí)行完后改計(jì)數(shù)器加一，直至達(dá)到定義數(shù)量后，執(zhí)行定義的回調(diào)函數(shù)與await()后續(xù)代碼。 與CountDownLatch相比，CyclicBarrier會(huì)對(duì)子任務(wù)阻塞，而CountDownLatch則阻塞主任務(wù)；另外CyclicBarrier可以重復(fù)使用。 主要實(shí)現(xiàn)某個(gè)回調(diào)函數(shù)在一個(gè)或多個(gè)線程執(zhí)行完成后觸發(fā)的情形

核心方法：

/**
 * 定義計(jì)數(shù)器數(shù)量與回調(diào)函數(shù)
 */
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction);
/**
 * 阻塞方法，當(dāng)有線程執(zhí)行到則計(jì)數(shù)器加一，等到達(dá)到目標(biāo)數(shù)后才會(huì)繼續(xù)后續(xù)代碼
 */
public int await();
/**
 * 通過該方法可以實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的重置
 */
public void reset();

• Semaphore
  信號(hào)量通常用于限制可以訪問某些（物理或邏輯）資源的線程數(shù)。 適用于有限資源數(shù)量的控制

核心方法：

/**
 * 定義許可數(shù)量
 */
public Semaphore(int permits);
/**
 * 申請(qǐng)?jiān)S可，改方法會(huì)阻塞程序
 */
public void acquire();
/**
 * 釋放許可
 */
public void release();

示例

CountDownLatch的使用場(chǎng)景

CountDownLatch是Java并發(fā)包中的一個(gè)工具類，它可以實(shí)現(xiàn)線程之間的協(xié)作。具體來說，CountDownLatch可以讓一個(gè)線程等待多個(gè)線程執(zhí)行完畢，再繼續(xù)執(zhí)行。CountDownLatch常用于以下場(chǎng)景：

1. 主線程等待多個(gè)子線程執(zhí)行完畢。
2. 多個(gè)子線程等待某個(gè)共同任務(wù)的完成。
3. 模擬并發(fā)請(qǐng)求，等待所有請(qǐng)求都響應(yīng)完畢再進(jìn)行下一步操作。
4. 統(tǒng)計(jì)多個(gè)線程執(zhí)行的時(shí)間。

@Test
    public void test() throws InterruptedException {
        int count = 10;
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(count);
        IntStream.range(0,count).forEach(i->{
            new Thread(()->{
                System.out.println( "執(zhí)行線程："+ i );
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                countDownLatch.countDown();
            }).start();
        });

        countDownLatch.await();

        System.out.println("線程執(zhí)行完成");
    }

CyclicBarrier的使用場(chǎng)景

它允許多個(gè)線程在某個(gè)屏障處等待，直到所有線程都到達(dá)該屏障時(shí)才會(huì)繼續(xù)執(zhí)行。

CyclicBarrier 適用于一組線程需要相互等待，直到所有線程都完成某個(gè)任務(wù)后才能繼續(xù)執(zhí)行下一步操作的場(chǎng)景。例如，一個(gè)大型的計(jì)算任務(wù)可以被分成多個(gè)子任務(wù)， 每個(gè)子任務(wù)由一個(gè)線程執(zhí)行。當(dāng)所有子任務(wù)完成后，這些線程需要等待，直到所有子任務(wù)都完成，然后再執(zhí)行下一步操作。

另外，CyclicBarrier 還可以用于優(yōu)化代碼性能。例如，當(dāng)我們需要等待多個(gè)線程都完成某項(xiàng)工作后，才能進(jìn)行下一步操作。此時(shí)，我們可以使用 CyclicBarrier 來實(shí)現(xiàn)等待， 而不是使用 Thread.sleep() 方法等待一段時(shí)間。這樣可以避免無謂的等待時(shí)間，提高代碼效率。

@Test
    public void test() {
        int count = 10;
        AtomicBoolean finish = new AtomicBoolean(false);
        CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(count, ()->{
            System.out.println("線程執(zhí)行完成");
            finish.set(true);
        });

        IntStream.range(0,count).forEach(i->{
            new Thread(()->{
                System.out.println( "執(zhí)行線程："+ i );
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
                try {
                    cyclicBarrier.await();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                } catch (BrokenBarrierException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }).start();
        });

        while (!finish.get()){}
    }

Semaphore的使用場(chǎng)景

它可以控制同時(shí)訪問某個(gè)共享資源的線程數(shù)量。常用于限制同時(shí)訪問某個(gè)資源的線程數(shù)量，例如數(shù)據(jù)庫連接池、線程池等。

1. 控制并發(fā)線程數(shù)：Semaphore可以限制并發(fā)線程數(shù)，從而控制系統(tǒng)資源的使用情況。
2. 控制訪問資源數(shù)：Semaphore可以控制同時(shí)訪問某個(gè)資源的線程數(shù)量，例如數(shù)據(jù)庫連接池，限制連接數(shù)。
3. 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型：Semaphore可以與阻塞隊(duì)列一起使用，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型，控制生產(chǎn)者和消費(fèi)者的數(shù)量。
4. 多個(gè)線程間的協(xié)作：Semaphore可以用于多個(gè)線程之間的協(xié)作，例如某個(gè)線程需要等待某些條件滿足后才能繼續(xù)執(zhí)行，可以使用Semaphore來實(shí)現(xiàn)等待和喚醒操作。

@Test
    public void test() {
        int count = 10;

        Semaphore semaphore = new Semaphore(3);

        IntStream.range(0,count).forEach(i->{
            new Thread(()->{
                try {
                    semaphore.acquire();
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }

                System.out.println( "執(zhí)行線程："+ i );

                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
                } catch (InterruptedException e) {
                    throw new RuntimeException(e);
                }

                semaphore.release();
            }).start();
        });

        while (true){}
    }

結(jié)束語

涉及到線程的開發(fā)都伴隨著復(fù)雜性，不管是在代碼調(diào)試上還是理解線程切換與安全性上，JUC提供的各種強(qiáng)大的工具類將并發(fā)編程的復(fù)雜性進(jìn)行了封裝，不管是在使用或是擴(kuò)展上，都能通過簡(jiǎn)單的幾行代碼實(shí)現(xiàn)多線程的各種協(xié)調(diào)工作。