Java 并发核心编程

自从java创建以来就已经支持并发的理念，如线程和锁。这篇指南主要是为帮助java多线程开发人员理解并发的核心概念以及如何应用这些理念。本文的主题是关于具有java语言风格的Thread、synchronized、volatile，以及J2SE5中新增的概念，如锁(Lock)、原子性(Atomics)、并发集合类、线程协作摘要、Executors。开发者通过这些基础的接口可以构建高并发、线程安全的java应用程序。 ### Java 并发核心编程知识点解析 #### 一、Java并发概述 自Java诞生之初，其设计者就赋予了该语言强大的并发处理能力。Java语言内置了对线程和锁的支持，这使得开发者能够轻松地编写多线程应用程序。本文旨在帮助Java开发者深入理解并发的核心概念，并掌握如何有效地运用这些概念。 #### 二、Java并发核心概念 在深入讨论具体技术细节之前，我们先了解一些关键的Java并发概念： 1. **Java Memory Model (JMM)**: - **定义**: 在Java SE 5 (JSR133)中引入的Java Memory Model (JMM)旨在确保编写并发代码时的一致性和可预测性。 - **作用**: 类似于监视器(monitor)，用于确保同步读写字段的正确性。 - **特性**: 定义了“先行发生”(happens-before)原则，解释了线程之间如何获得彼此的结果，保证字段的一致性等。 2. **Monitor**: - **定义**: 每个Java对象都有一个与其关联的monitor，用于控制对该对象关键代码段的访问。 - **用途**: 使用`synchronized`关键字来标识关键代码段或方法，确保同一时间只有一个线程可以执行这些代码。 - **协作**: 可以通过`wait()`和`notify()`方法实现线程间的协作。 3. **Atomic Field Assignment**: - **描述**: 对基本类型的字段赋值通常是一个原子操作。然而，对于`double`和`long`类型的更新可能涉及两个独立的操作，这可能导致其他线程看到部分更新的结果。 - **解决方法**: 使用`volatile`关键字或在`synchronized`代码块内进行操作，以保护共享的`double`和`long`字段。 4. **Race Condition**: - **定义**: 当两个或更多线程以某种不确定的顺序执行时，可能会导致结果依赖于线程调度，从而产生多种可能的结果。 - **解决方法**: 通过适当的同步机制（如`synchronized`、`volatile`或显式锁）来避免竞态条件。 5. **Data Race**: - **描述**: 发生在多个线程同时访问一个未被正确同步的共享字段时。 - **后果**: 可能导致不可预测的行为，特别是在不同的硬件平台上。 - **解决方法**: 使用适当的同步策略（如`synchronized`、`volatile`或锁）。 6. **Safe Publications**: - **问题**: 如果在对象创建完成之前就将其引用发布出去，可能会导致其他线程看到尚未完全初始化的对象。 - **解决方法**: 在构造期间使用回调接口或避免在构造函数中启动新线程。 7. **Final Fields**: - **定义**: 不可变字段在对象创建后被设置一次且不可更改。 - **特性**: 创建结束时，若对象被安全发布，则所有线程都可以获取到final字段在构造过程中设置的值，即使没有`synchronized`关键字。 #### 三、保护共享数据 在多线程环境中，保护共享数据至关重要，以确保数据的一致性和完整性。以下是一些常用的技术和策略： 1. **Volatile**: `volatile`关键字可以用来确保变量的写入立即对其他线程可见，但不保证原子性。 2. **Synchronized**: `synchronized`关键字可以用来同步方法或代码块，确保同一时刻只有一个线程可以访问特定代码段。 3. **Locks**: 自Java 5起，引入了更灵活的锁机制，如`ReentrantLock`，提供了比`synchronized`更高级别的锁控制。 4. **Atomic Types**: `java.util.concurrent.atomic`包提供了一组原子类，用于执行无锁原子操作，如`AtomicInteger`、`AtomicLong`等。 #### 四、并发集合类 Java平台提供了专门设计用于并发环境下的集合类，以提高多线程应用程序的性能和安全性： 1. **ConcurrentHashMap**: 一个线程安全的哈希表实现，使用分段锁来提高并发性。 2. **CopyOnWriteArrayList**: 一种特殊的列表实现，通过复制现有数组并在复制副本上进行修改来支持线程安全。 3. **ConcurrentLinkedQueue**: 提供了一个基于链表的无界队列实现，适用于高并发场景。 #### 五、线程协作 线程之间的协作是多线程编程中的另一个关键方面，涉及到线程之间的通信和同步。Java提供了多种机制来实现这一点： 1. **Wait/Notify**: `Object.wait()`和`Object.notify()`用于线程之间的简单同步。 2. **CountDownLatch**: 允许一个或多个线程等待其他线程完成一组操作。 3. **CyclicBarrier**: 支持多个线程等待到达某个公共屏障点。 4. **Semaphore**: 控制对有限数量的共享资源的访问。 #### 六、Executor Framework Java的`java.util.concurrent.Executor`框架提供了一种灵活的方式来管理和控制线程池中的任务执行： 1. **ThreadPoolExecutor**: 提供了一个可配置的线程池实现。 2. **ScheduledExecutorService**: 支持定时任务和周期性任务的执行。 3. **ForkJoinPool**: 专门为分治算法设计的线程池。 通过上述技术细节和技术要点的介绍，我们可以看出Java提供了丰富的并发工具和支持，让开发者能够构建高效、可靠的多线程应用程序。理解和掌握这些概念和技术是成功进行并发编程的关键。