Java并发包（java.util.concurrent）详解 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

好的，各位观众老爷们，欢迎来到“并发世界历险记”！我是你们的向导，名叫并发老司机。今天咱们不飙车，而是要一起深入Java并发包（java.util.concurrent）这个宝藏山，挖掘里面的各种奇珍异宝。准备好了吗？系好安全带，发车咯！

第一站：并发的那些事儿，不得不说的秘密

在进入并发包的奇妙世界之前，咱们先得聊聊并发这档子事。想象一下，你是一位餐厅老板，只有一个厨师。如果顾客络绎不绝，厨师就得忙得像只陀螺，顾客也得饿成嗷嗷待哺的小狼崽。这时候，你灵机一动，雇了几个帮厨，大家齐心协力，效率嗖嗖地就上去了！

这就是并发的魅力：让多个任务（线程）“同时”执行，提高程序的运行效率。但并发也不是万能的，它就像一把双刃剑，用得好能让你飞黄腾达，用不好也能让你栽个大跟头。

并发的优点：
- 提高响应速度： 就像餐厅多几个厨师，顾客点餐后不用等太久。
- 提高资源利用率： CPU不再闲着没事干，而是忙着处理多个任务。
- 程序结构更清晰： 将复杂任务分解成多个小任务，每个线程负责一部分。
并发的缺点：
- 线程安全问题： 多个线程访问共享资源时，可能会出现数据错乱。比如，一个线程刚要给银行账户加钱，另一个线程却把钱取走了，这可就麻烦大了！
- 死锁： 线程互相等待对方释放资源，谁也不让谁，就像两辆车在狭窄的路上堵住了，谁也过不去。
- 上下文切换： CPU在多个线程之间切换，也会消耗一定的资源。就像厨师一会儿炒菜，一会儿切菜，也需要时间来调整。

明白了并发的优缺点，咱们才能更好地利用并发包来解决问题，避免踩坑。

第二站：并发包总览，琳琅满目的宝藏

Java并发包就像一个工具箱，里面装满了各种各样的工具，可以帮助我们轻松地构建并发程序。咱们先来简单地浏览一下这些工具：

工具类型	作用	例子
Executor	线程池框架，管理线程的创建和销毁，避免频繁创建线程的开销。就像餐厅的总调度，负责安排厨师的工作。	`ThreadPoolExecutor`, `ScheduledThreadPoolExecutor`
Lock	锁机制，控制对共享资源的访问，保证线程安全。就像餐厅的厨房门，一次只能允许一个厨师进入。	`ReentrantLock`, `ReadWriteLock`
Atomic	原子类，提供原子操作，保证操作的完整性。就像餐厅的收款机，一次只能处理一个顾客的付款。	`AtomicInteger`, `AtomicLong`, `AtomicReference`
Concurrent Collections	并发集合类，提供线程安全的集合操作。就像餐厅的菜品清单，多个厨师可以同时查看，但不能同时修改。	`ConcurrentHashMap`, `CopyOnWriteArrayList`, `BlockingQueue`
Condition	条件变量，实现线程间的等待和通知。就像餐厅的服务员，顾客点餐后，服务员会通知厨师做菜，厨师做好后，再通知服务员上菜。	`Condition` (通常与 `ReentrantLock` 配合使用)
Phaser	灵活的同步栅栏，协调多个线程的执行。就像餐厅的乐队，所有乐器都准备好后，才能开始演奏。	`Phaser`
CountDownLatch	倒计时器，等待多个线程完成任务。就像餐厅的食材采购，所有食材都采购齐后，才能开始做菜。	`CountDownLatch`
CyclicBarrier	循环栅栏，等待多个线程到达同一个点。就像餐厅的开业典礼，所有人员都到齐后，才能剪彩。	`CyclicBarrier`
Semaphore	信号量，控制对资源的并发访问数量。就像餐厅的停车位，只有有限的几个，超过数量的车辆需要等待。	`Semaphore`
ForkJoinPool	分而治之的任务分解框架，将大任务分解成小任务并行执行。就像餐厅的流水线，将一道菜的制作分解成多个步骤，每个厨师负责一部分。	`ForkJoinPool`, `RecursiveTask`, `RecursiveAction`

怎么样，是不是感觉眼花缭乱？别担心，咱们接下来会逐一深入地了解这些工具，并结合实际例子，让你彻底掌握它们的使用方法。

第三站：线程池，让线程不再“野蛮生长”

线程池是并发包中最重要的工具之一，它可以有效地管理线程的生命周期，避免频繁创建和销毁线程的开销。

为什么要使用线程池？
- 降低资源消耗： 重复利用已创建的线程，减少线程创建和销毁的开销。
- 提高响应速度： 当任务到达时，无需等待线程创建即可立即执行。
- 提高线程的可管理性： 统一管理线程，可以更好地控制并发数量。
线程池的核心参数：
- corePoolSize： 核心线程数，线程池中始终保持的线程数量，即使它们是空闲的。
- maximumPoolSize： 最大线程数，线程池中允许的最大线程数量。
- keepAliveTime： 线程空闲时间，超过这个时间，空闲线程会被销毁，直到线程池中的线程数量等于 corePoolSize。
- unit： keepAliveTime 的时间单位，例如 TimeUnit.SECONDS。
- workQueue： 阻塞队列，用于存放等待执行的任务。
- threadFactory： 线程工厂，用于创建新的线程。
- handler： 拒绝策略，当任务队列已满，且线程池中的线程数量达到 maximumPoolSize 时，用于处理新提交的任务。
常见的线程池类型：
- FixedThreadPool： 固定大小的线程池，核心线程数等于最大线程数。
- CachedThreadPool： 可缓存的线程池，线程数量不固定，可以根据需要动态创建和销毁线程。
- SingleThreadExecutor： 单线程的线程池，只有一个线程执行任务。
- ScheduledThreadPoolExecutor： 可调度的线程池，可以定时或延时执行任务。

举个栗子：

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class ThreadPoolExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个固定大小的线程池，包含 5 个线程
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);

        // 提交 10 个任务
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            final int taskNumber = i;
            executor.execute(() -> {
                System.out.println("Task " + taskNumber + " is running in thread: " + Thread.currentThread().getName());
                try {
                    Thread.sleep(1000); // 模拟任务执行时间
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        }

        // 关闭线程池
        executor.shutdown();
    }
}

在这个例子中，我们创建了一个包含 5 个线程的固定大小的线程池。然后，我们提交了 10 个任务到线程池中。线程池会自动分配任务给空闲的线程执行。当所有任务都执行完毕后，我们关闭了线程池。

第四站：锁，守护共享资源的卫士

锁是并发编程中不可或缺的工具，它可以保证多个线程对共享资源的互斥访问，避免数据竞争和死锁等问题。

synchronized 关键字：

synchronized 是 Java 中最基本的锁机制，它可以修饰方法或代码块，保证同一时刻只有一个线程可以执行被 synchronized 修饰的代码。
```
public class Counter {
    private int count = 0;

    public synchronized void increment() {
        count++;
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}
```
在这个例子中，increment() 方法被 synchronized 修饰，这意味着同一时刻只有一个线程可以执行 increment() 方法，从而保证 count 变量的线程安全。

ReentrantLock：

ReentrantLock 是一个可重入的互斥锁，它提供了比 synchronized 关键字更灵活的锁机制。

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class Counter {
    private int count = 0;
    private Lock lock = new ReentrantLock();

    public void increment() {
        lock.lock(); // 获取锁
        try {
            count++;
        } finally {
            lock.unlock(); // 释放锁
        }
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

在这个例子中，我们使用 ReentrantLock 来保护 count 变量的线程安全。需要注意的是，在使用 ReentrantLock 时，一定要在 finally 块中释放锁，以避免死锁。

ReadWriteLock：

ReadWriteLock 是一种读写锁，它允许多个线程同时读取共享资源，但只允许一个线程写入共享资源。

import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock;

public class DataContainer {
    private String data = "Initial Data";
    private ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();

    public String readData() {
        lock.readLock().lock(); // 获取读锁
        try {
            System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getName() + " is reading data: " + data);
            return data;
        } finally {
            lock.readLock().unlock(); // 释放读锁
        }
    }

    public void writeData(String newData) {
        lock.writeLock().lock(); // 获取写锁
        try {
            System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getName() + " is writing data: " + newData);
            data = newData;
        } finally {
            lock.writeLock().unlock(); // 释放写锁
        }
    }
}

在这个例子中，我们使用 ReadWriteLock 来保护 data 变量的线程安全。多个线程可以同时读取 data 变量，但只有一个线程可以写入 data 变量。

第五站：原子类，让操作“一步到位”

原子类提供原子操作，保证操作的完整性，避免数据竞争。

AtomicInteger：

AtomicInteger 提供原子性的整型操作，例如 get(), set(), incrementAndGet(), decrementAndGet() 等。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class Counter {
    private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public int increment() {
        return count.incrementAndGet(); // 原子性递增
    }

    public int getCount() {
        return count.get();
    }
}

在这个例子中，我们使用 AtomicInteger 来保证 count 变量的原子性递增。

AtomicLong：

AtomicLong 提供原子性的长整型操作，类似于 AtomicInteger。
AtomicReference：

AtomicReference 提供原子性的对象引用操作，可以用于实现无锁的数据结构。

第六站：并发集合，线程安全的容器

并发集合类提供线程安全的集合操作，避免手动加锁的麻烦。

ConcurrentHashMap：

ConcurrentHashMap 是一个线程安全的哈希表，它允许多个线程同时读取和写入数据，而无需手动加锁。
CopyOnWriteArrayList：

CopyOnWriteArrayList 是一个线程安全的列表，它在修改数据时，会复制一份新的列表，然后在新的列表上进行修改，最后将旧的列表替换为新的列表。这种方式可以保证读操作的线程安全，但写操作的性能较低。
BlockingQueue：

BlockingQueue 是一个阻塞队列，它提供了线程安全的队列操作，例如 put(), take(), offer(), poll() 等。当队列为空时，take() 方法会阻塞线程，直到队列中有元素可用。当队列已满时，put() 方法会阻塞线程，直到队列中有空闲位置可用。

第七站：同步工具，协调线程的步调

同步工具可以帮助我们协调多个线程的执行顺序，实现复杂的并发逻辑。

CountDownLatch：

CountDownLatch 是一个倒计时器，它可以让一个或多个线程等待其他线程完成任务。

import java.util.concurrent.CountDownLatch;

public class TaskRunner {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        int numberOfTasks = 3;
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(numberOfTasks);

        for (int i = 0; i < numberOfTasks; i++) {
            new Thread(() -> {
                System.out.println("Task started by " + Thread.currentThread().getName());
                try {
                    Thread.sleep((long) (Math.random() * 2000)); // Simulate work
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("Task completed by " + Thread.currentThread().getName());
                latch.countDown(); // Decrement the latch
            }).start();
        }

        latch.await(); // Wait for all tasks to complete
        System.out.println("All tasks completed! Main thread continuing.");
    }
}

在这个例子中，我们创建了一个 CountDownLatch，初始值为 3。然后，我们启动了 3 个线程执行任务。每个线程完成任务后，都会调用 latch.countDown() 方法将 CountDownLatch 的值减 1。主线程调用 latch.await() 方法等待 CountDownLatch 的值变为 0，表示所有任务都已完成。

CyclicBarrier：

CyclicBarrier 是一个循环栅栏，它可以让多个线程等待彼此到达同一个点，然后一起继续执行。

import java.util.concurrent.CyclicBarrier;

public class CyclicBarrierExample {
    public static void main(String[] args) {
        int numberOfThreads = 3;
        CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(numberOfThreads, () -> {
            System.out.println("All threads have reached the barrier. Let's proceed together!");
        });

        for (int i = 0; i < numberOfThreads; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is doing some initial work.");
                    Thread.sleep((long) (Math.random() * 2000));
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is waiting at the barrier.");
                    barrier.await(); // Wait for all threads to reach the barrier
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " continues after the barrier.");
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
    }
}

在这个例子中，我们创建了一个 CyclicBarrier，初始值为 3。然后，我们启动了 3 个线程执行任务。每个线程执行到 barrier.await() 方法时，会等待其他线程也到达 barrier.await() 方法。当所有线程都到达 barrier.await() 方法时，CyclicBarrier 会执行一个 Runnable 任务（在这个例子中是打印一条消息），然后所有线程一起继续执行。

Semaphore：

Semaphore 是一个信号量，它可以控制对资源的并发访问数量。

import java.util.concurrent.Semaphore;

public class SemaphoreExample {
    public static void main(String[] args) {
        int numberOfPermits = 2; // Number of available permits
        Semaphore semaphore = new Semaphore(numberOfPermits);

        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is requesting a permit.");
                    semaphore.acquire(); // Acquire a permit
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " has acquired a permit and is working.");
                    Thread.sleep((long) (Math.random() * 2000)); // Simulate work
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " is releasing the permit.");
                    semaphore.release(); // Release the permit
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).start();
        }
    }
}

在这个例子中，我们创建了一个 Semaphore，初始值为 2。然后，我们启动了 5 个线程执行任务。每个线程在执行任务之前，都需要调用 semaphore.acquire() 方法获取一个许可。如果 Semaphore 的许可数量已经用完，线程会阻塞等待，直到有其他线程释放许可。线程完成任务后，会调用 semaphore.release() 方法释放许可。

Phaser：

Phaser 是一个灵活的同步栅栏，它可以协调多个线程的执行，并且可以动态地调整参与同步的线程数量。

第八站：ForkJoinPool，分而治之的利器

ForkJoinPool 是一个分而治之的任务分解框架，它可以将大任务分解成小任务并行执行，提高程序的运行效率。

RecursiveTask：

RecursiveTask 是一个可以递归分解的任务，它有返回值。
RecursiveAction：

RecursiveAction 是一个可以递归分解的任务，它没有返回值。

总结：并发世界，任你驰骋

经过这次“并发世界历险记”，相信各位观众老爷们对 Java 并发包已经有了更深入的了解。并发编程虽然复杂，但只要掌握了并发包中的各种工具，并结合实际例子进行练习，就能轻松地构建高效、稳定的并发程序。

记住，并发编程就像烹饪，需要耐心、细心和不断地尝试。希望各位观众老爷们都能成为并发世界的大厨，烹饪出美味的并发佳肴！

最后，送大家一句并发箴言：谨慎使用锁，拥抱原子操作，善用并发集合，巧用同步工具，驾驭 ForkJoinPool！

咱们下次再见！ 🚗💨

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