Java多线程之核心类库

本文介绍Java中关于多线程的类库, 包括各种类的实现原理和使用方法, 关于多线程的基础知识, 可以阅读Java多线程之基础知识.

无锁可变量

从Java 5开始, java.util.concurrent.atomic中就提供了支持无锁可变变量的类, 例如AtomicLong等. 可以使用这些类提供的方法对其进行加减法, 并且不需要任何的同步操作.

在上述的类中,使用了一种CAS技术, 即Compare And Set. 一个线程在更新变量值之前, 会检测变量的当前值是否和预期的值相同, 如果是,则说明变量尚未被其他线程修改, 于是可以直接修改这个变量. 如果发现变量已经改变, 那么这次操作失败. 由于CAS技术是硬件提供支持,因此性能比加锁操作有很大的提升.

在Java 8中, 不需要写循环来反复进行CAS操作, 可以直接传入lambda或者方法引用来完成操作

long observed = 2333;
AtomicLong largest = new AtomicLong();
largest.updateAndGet(x -> Math.max(x,observed));
largest.accumulateAndGet(observed,Math::max);

如果线程间的竞争压力很大, 可以使用LongAdder来代替AtomicLong. LongAdder内部有多个变量, 这些变量累计起来表示总和, 从而多个线程进行操作时, 可以将它们分布到不同的变量上进行操作.

AQS

一文带你搞懂什么是AQS及其组件的核心原理

并行哈希表

ConcurrentHashMap是一个保证线程安全的哈希表, 多个线程可以同时对其进行添加和删除元素, 且各个线程之间不会被阻塞.

更新值

由于ConcurrentHashMap不保证内部存储的元素的原子性, 因此当需要更新元素的值时, 需要使用一些操作, 例如CAS技术, 使用CAS有两种方式, 分别如下

// 手动进行循环检测
do{
    oldValue = map.get(word);
    newValue = oldValue == null ? 1 : oldVaue + 1;
} while(!map.replace(word,oldValue,newValue));

// 直接使用lambda函数
map.compute(word, (k,v)-> v==null?1:v+1);

与compute方法参数类似的方法还有两个, computeIfPresent和computerIfAbsent分别来处理值已经存在和值不存在的情况, 此外对于上述这种第一次加入与后续操作存在差异的操作, 可以使用merge方法, 此方法提供一个额外的参数用于表示初始值.

map.computeIfAbsent(word, k -> new LongAddr()).increment();

// 如果word不存在, 初始为1L, 否则将原有值和1L进行相加
map.merge(word, 1L, (existingValue, newValue) -> existingValue + newValue);
// 可以使用 Long::sum 进一步简化代码
map.merge(word, 1L, Long::sum);

批量操作

ConcurrentHashMap 提供三种批量操作的方式, 即 search, reduce 和 forEach, 这三种方式都可以分别对键, 值, 建和值, Map.Entry进行操作. 这些操作都是并行的, 需要提供一个阈值来指定一个线程中大约包含多少数据.

如果需要单线程操作, 可以将阈值指定为Long.MAX_VALUE, 如果需要尽可能多的线程, 可以将阈值指定为1, 但是无论如何设置, 最后的线程数量都不会超过ForkJoinPool指定的一个最大线程数量的4倍.

Set视图

可以在ConcurrentHashMap 的基础上获得一个Set视图, 根据需要, 可以使用以下两种方式

// 在ConcurrentHashMap上封装一个Set
ConcurrentHashMap.newKeySet()

// 在一个已有的ConcurrentHashMap产生一个Set
Set<String> set = map.keySet(1L);
set.add("123")

其中keySet方法的参数表示使用Set视图添加元素时, 向ConcurrentHashMap添加的默认值. 如果map中不存在"123", 那么执行后map中就存在此元素,且值为1.

重入锁

重入锁可以代替synchronized关键字, 且JDK早期版本中性能优于synchronized关键字. 在后续版本中JDK对synchronized关键字进行了优化, 从而使两种差距不大. 重入锁通过ReentrantLock类实现, 使用lock()方法获得锁, 使用unlock()方法释放锁. 对于有异常的场景, 可以在finally语句块中释放锁.

一种典型的使用方式如下所示：

try {
    lock.lock();
    // ...
} catch(Exception e) {
    // ...
} finally {
    lock.unlock();
}

而使用ReentrantLock时可以使用tryLock()来尝试获得锁, 根据能否获得锁来执行不同的操作

ReentrantLock可以多次调用lock方法进行锁定（重入）, 因而被称为重入锁. 关于ReentrantLock还有如下的一些重要方法

方法	作用	备注
lockInterruptibly()	除非被中断不断尝试获得锁	如果线程被设置为中断, 立刻抛出InterruptedException
tryLock()	尝试获得锁并且立刻返回是否获得锁	可以根据是否获得锁执行不同的操作
isFair()	是否是公平锁
isHeldByCurrentThread()	此锁是否被当前线程持有

注意:

tryLock()方法可以指定一个最大等待时间, 如果到达时间后还是无法获得锁, 则放弃等待并返回false.
使用tryLock()或lockInterruptibly()获取锁时, 操作更加灵活, 从而有助于解决一部分死锁问题.
synchronized和默认的ReentrantLock都是非公平锁, 但是如果需要, 也可以在构造函数中将ReentrantLock指定为公平锁.

多路通知

通过synchronized, wait()/notify()可以实现等待和唤醒. 其中synchronized关键字的作用可以通过ReentrantLock替代, 同样wait()/notify()机制可以被Condition对象替代.

Condition对象与Lock接口配合使用(ReentrantLock实现了此接口), Lock接口的newCondition()方法可以产生一个Condition对象, 此对象具有以下的一些方法

方法	作用	备注
await()	使当前线程等待,并且释放锁	等待过程中可以响应中断
awaitUninterruptibly()	使当前线程等待,并且释放锁	等待过程中不会响应中断
signal()	唤醒一个等待中的线程

注意:

等待和唤醒都和一个Condition绑定在一起, 从而实现了更加精细的线程控制
newCondition()方法每次调用都会返回一个完全不同的实例

信号量

Java也提供信号量机制, 关于信号量可以参考操作系统笔记中信号量和PV原语章节.

表示信号量的类是Semphore, 提供acquire方法实现P操作, 提供release方法实现V操作

读写锁

Java提供读写锁机制, 关于读写锁的有关内容可以参考数据库系统原理中封锁技术章节.

表示读写锁的类是ReentrantReadWriteLock, 此类提供radLock()方法获得一个读锁, 提供writeLock()获得一个写锁. 在读取操作远多于写入操作时, 读写锁可以获得极高的性能.

倒计时器

CountDownLatch是一个用于控制线程等待的多线程控制类. 通常由构造函数指定需要管理的子线程数量, 每个子线程执行完毕后调用countDown()通知CountDownLatch该子线程完成任务.

主线程调用await()方法等待子线程执行相关的任务, 当所有子线程都完成任务后, 主线程被唤醒, 从而继续执行后续的操作.

方法	说明
countDown()	子线程中调用, 通知此子线程完成任务
await()	主线程调用, 等待所有子线程完成任务

最后更新： 2025年03月12日 19:15

原始链接： https://lizec.top/2018/11/21/Java%E5%A4%9A%E7%BA%BF%E7%A8%8B%E4%B9%8B%E6%A0%B8%E5%BF%83%E7%B1%BB%E5%BA%93/

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