Java并发编程：从基础到高级应用

### Java并发编程：从基础到高级应用 #### 1. 同步与线程安全 在Java编程中，同步是一个关键概念，它能确保多线程环境下的数据一致性和程序的正确性。但过度同步会导致性能下降，所以需要谨慎使用。 当一个方法修改静态字段，且该方法可能被多个线程调用时，必须在内部对该字段的访问进行同步，除非类能够容忍不确定的行为。因为即使该字段是私有的，它本质上也是一个全局变量，可能被无关的客户端读取和修改。 为避免死锁和数据损坏，不要在同步区域内调用外部方法。在设计可变类时，要考虑是否需要进行内部同步。在多核时代，避免过度同步尤为重要，只有在有充分理由时才进行内部同步，并清晰地记录决策。 #### 2. 优先使用执行器、任务和流而非线程 在早期，编写简单的工作队列代码复杂且容易出错。但随着Java的发展，`java.util.concurrent` 包引入了执行器框架（Executor Framework），极大地简化了任务的执行和管理。 以下是使用执行器框架的基本操作： - **创建单线程执行器**： ```java ExecutorService exec = Executors.newSingleThreadExecutor(); ``` - **提交任务执行**： ```java exec.execute(runnable); ``` - **优雅地终止执行器**： ```java exec.shutdown(); ``` 执行器服务还提供了许多其他功能，如等待特定任务完成、等待一组任务完成、获取任务结果等。 线程池是执行器框架的一种重要形式，可以创建固定数量或可变数量线程的线程池。对于小型程序或轻负载服务器，`Executors.newCachedThreadPool` 通常是一个不错的选择；但对于高负载的生产服务器，`Executors.newFixedThreadPool` 或直接使用 `ThreadPoolExecutor` 类能提供更好的控制。 在Java 7中，执行器框架扩展支持了分叉 - 合并任务（fork - join tasks），由分叉 - 合并池（fork - join pool）执行。分叉 - 合并任务可以拆分为更小的子任务，提高CPU利用率、吞吐量和降低延迟。并行流（parallel streams）基于分叉 - 合并池构建，能轻松利用其性能优势。 #### 3. 优先使用并发工具而非 `wait` 和 `notify` 自Java 5以来，平台提供了更高级的并发工具，减少了使用 `wait` 和 `notify` 的必要性。`java.util.concurrent` 包中的并发工具分为执行器框架、并发集合和同步器三类。 并发集合是标准集合接口的高性能并发实现，如 `List`、`Queue` 和 `Map`。它们内部管理同步，不适合外部加锁。为了支持原子操作，并发集合接口提供了状态依赖的修改操作。例如，`ConcurrentHashMap` 的 `putIfAbsent` 方法可以实现线程安全的规范化映射： ```java // Concurrent canonicalizing map atop ConcurrentMap - not optimal private static final ConcurrentMap<String, String> map = new ConcurrentHashMap<>(); public static String intern(String s) { String previousValue = map.putIfAbsent(s, s); return previousValue == null ? s : previousValue; } ``` 优化后的代码： ```java // Concurrent canonicalizing map atop ConcurrentMap - faster! public static String intern(String s) { String result = map.get(s); if (result == null) { result = map.putIfAbsent(s, s); if (result == null) result = s; } return result; } ``` 一些集合接口扩展了阻塞操作，如 `BlockingQueue`，可用于工作队列。同步器是允许线程相互等待、协调活动的对象，常见的同步器有 `CountDownLatch` 和 `Semaphore` 等。 以下是使用 `CountDownLatch` 实现并发执行计时的示例： ```java // Simple framework for timing concurrent execution public static long time(Executor executor, int concurrency, Runnable action) throws InterruptedException { CountDownLatch ready = new CountDownLatch(concurrency); CountDownLatch start = new CountDownLatch(1); CountDownLatch done = new CountDownLatch(concurrency); for (int i = 0; i < concurrency; i++) { executor.execute(() -> { ready.countDown(); // Tell timer we're ready try { start.await(); // Wait till peers are ready action.run(); } catch (InterruptedException e) { Thread.currentThread().interrupt(); } finally { done.countDown(); // Tell timer we're done } }); } ready.await(); // Wait for all workers to be ready long startNanos = System.nanoTime(); start.countDown(); // And they're off! done.await(); // Wait for all workers to finish return System.nanoTime() - startNanos; } ``` #### 4. 线程安全的文档记录 类在多线程环境下的行为是与客户端契约的重要部分。如果不记录类的线程安全级别，用户可能会做出错误的假设，导致同步不足或过度同步。 线程安全有多个级别： | 线程安全级别 | 描述 | 示例 | | ---- | ---- | ---- | | 不可变（