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
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。