苏州做网站比较好的公司,网站开发后期工作包括那两个部分,天津企业网站专业订制,简单个人网站设计个人主页#xff1a; 进朱者赤 阿里非典型程序员一枚 #xff0c;记录平平无奇程序员在大厂的打怪升级之路。 一起学习Java、大数据、数据结构算法#xff08;公众号同名#xff09; 引言
在Java中#xff0c;并发编程一直是一个重要的领域#xff0c;而JDK 8中的java.u… 个人主页 进朱者赤 阿里非典型程序员一枚 记录平平无奇程序员在大厂的打怪升级之路。 一起学习Java、大数据、数据结构算法公众号同名 引言
在Java中并发编程一直是一个重要的领域而JDK 8中的java.util.concurrentJUC包提供了丰富的同步工具类帮助开发者更加高效地处理并发问题。本文将分层次、分逻辑地介绍这些同步工具类的底层实现原理、使用方法和源码解析并给出使用注意事项。
一、Semaphore信号量
1. 简介
Semaphore是一种同步工具它允许一定数量的线程同时访问共享资源。通过控制信号量的许可数量Semaphore能够实现对共享资源的并发访问限制。
2. 适用场景
Semaphore适用于需要限制并发访问共享资源数量的场景。例如数据库连接池中的连接数控制防止过多的请求同时访问数据库或者在分布式系统中限制某个服务能够处理的并发请求数以保证服务的稳定性和响应速度。
3. 使用
Semaphore semaphore new Semaphore(5); // 初始化信号量为5
semaphore.acquire(); // 获取一个许可若信号量为0则阻塞
// 访问共享资源
semaphore.release(); // 释放一个许可4. 内部原理及源码解读
内部原理
Semaphore基于AQSAbstractQueuedSynchronizer实现它维护了一个许可计数器。当线程调用acquire()方法时如果许可计数器大于0则直接返回否则线程会被加入等待队列并阻塞。当线程调用release()方法时许可计数器加一并尝试唤醒等待队列中的一个线程。
源码解读
Semaphore内部有一个类Sync它继承了AbstractQueuedSynchronizer。Sync有两个子类FairSync和NonfairSync分别用于处理公平和非公平策略。
// Semaphore的构造方法
public Semaphore(int permits) {sync new NonfairSync(permits);
}public Semaphore(int permits, boolean fair) {sync fair ? new FairSync(permits) : new NonfairSync(permits);
}在NonfairSync或FairSync中会重写AQS的tryAcquire和tryRelease等方法来实现对许可计数器的增减操作以及线程的同步。
5. 注意事项
使用Semaphore时要确保释放的许可数量与获取的数量相匹配避免造成死锁或资源泄漏。在高并发场景下要合理设置信号量的初始值以平衡资源利用率和并发性能。 二、CountDownLatch倒计时锁
1. 简介
CountDownLatch是一种同步工具它允许一个或多个线程等待其他线程完成操作。通过维护一个计数器当计数器减至0时等待的线程将被唤醒。
2. 适用场景
CountDownLatch适用于需要等待一组线程完成某个任务后再继续执行的场景。例如在启动多个线程进行并行计算时可以使用CountDownLatch来等待所有线程计算完成后主线程再进行汇总处理。
3. 使用
CountDownLatch latch new CountDownLatch(5); // 初始化计数器为5
// ...其他线程执行操作每完成一个操作调用latch.countDown()
latch.await(); // 当前线程等待直到计数器减至04. 内部原理及源码解读
内部原理
CountDownLatch同样基于AQS实现它维护了一个计数器。当线程调用countDown()方法时计数器减一当计数器减至0时AQS会唤醒等待队列中的所有线程。
源码解读
CountDownLatch的核心在于AQS的state变量它代表了计数器的值。
// CountDownLatch的构造方法
public CountDownLatch(int count) {// 初始化计数器sync new Sync(count);
}// Sync是CountDownLatch的内部类继承了AQS
private static final class Sync extends AbstractQueuedSynchronizer {private static final long serialVersionUID 498226498192269037L;Sync(int count) {setState(count); // 设置AQS的state为初始计数器值}// ...其他方法如tryAcquireShared等
}在tryAcquireShared方法中会检查计数器的值是否为0如果是则直接返回表示可以获取共享资源否则将当前线程加入等待队列。当countDown方法被调用时会调用releaseShared方法减少计数器的值并尝试唤醒等待队列中的线程。
5. 注意事项
在使用CountDownLatch时要确保所有需要等待的线程都调用了countDown()方法并且计数器的初始值设置正确。等待线程在调用await()方法后会被阻塞直到计数器减至0因此要避免在等待过程中执行耗时操作或阻塞操作。 三、CyclicBarrier循环栅栏
1. 简介
CyclicBarrier是一种同步工具它允许一组线程互相等待直到所有线程都到达某个公共屏障点barrier point。一旦所有线程都到达屏障点它们可以继续执行后续操作。
2. 适用场景
CyclicBarrier适用于需要将一组线程分割成多个阶段并在每个阶段完成后进行汇总或协调的场景。例如在多个线程协同完成一个复杂任务时每个线程负责不同的子任务当所有线程都完成各自子任务后再进行下一步操作。
3. 使用
CyclicBarrier cyclicBarrier new CyclicBarrier(5); // 初始化栅栏需要5个线程到达
// ...多个线程执行操作到达屏障点时调用cyclicBarrier.await()
cyclicBarrier.await(); // 当前线程等待直到所有线程都到达屏障点4. 内部原理及源码解读
内部原理
CyclicBarrier内部使用了锁和条件变量来实现线程间的同步。当线程到达屏障点时首先检查是否有足够的线程到达如果有则继续执行否则将线程加入等待队列并阻塞。当最后一个线程到达屏障点时唤醒所有等待的线程。
源码解读
CyclicBarrier的核心在于其内部类Generation它代表了屏障的某个周期。每个Generation都有一个计数器来记录到达屏障点的线程数量。
// CyclicBarrier的构造方法
public CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction) {this.parties parties;this.count parties;this.barrierCommand barrierAction;this.lock new ReentrantLock();this.condition lock.newCondition();this.generation new Generation();
}// Generation内部类
private static class Generation {boolean broken false;int index 0;
}在await方法中线程会首先尝试获取锁然后检查当前Generation的计数器是否为0。如果不为0则线程会加入等待队列并阻塞。当最后一个线程到达屏障点时它会修改Generation的计数器并唤醒等待队列中的所有线程。
5. 注意事项
在使用CyclicBarrier时要确保所有线程都正确调用了await()方法并且屏障点的线程数量设置正确。如果在等待过程中发生异常或中断CyclicBarrier可能会处于不一致状态因此需要妥善处理异常和中断情况。 四、Phaser阶段执行器
1. 简介
Phaser是一种更灵活的同步工具它提供了对一组线程进行分阶段同步的能力。Phaser允许线程注册、到达、等待和触发不同的阶段非常适合用于需要动态管理线程阶段执行的场景。
2. 适用场景
Phaser适用于那些需要将线程划分为多个阶段并在每个阶段结束时执行特定操作的情况。例如在多阶段任务中每个阶段可能需要不同的线程数量且阶段的完成条件可能不同。使用Phaser可以方便地对这些阶段进行管理和协调。
3. 使用
使用Phaser时首先需要创建一个Phaser实例并注册参与线程。然后在每个阶段线程可以调用arriveAndAwaitAdvance()方法来表示它们已经完成了当前阶段的工作并等待其他线程完成。当所有线程都到达当前阶段时Phaser会触发阶段转换并允许线程进入下一个阶段。
4. 内部原理及源码解读
内部原理
Phaser内部维护了一个复杂的状态机包括当前阶段数、已注册的参与者数量、已到达的参与者数量等。每个线程在Phaser中都有一个到达点当所有线程都到达当前阶段时Phaser会触发阶段转换并允许线程进入下一个阶段。
源码解读
Phaser的源码相对复杂它涉及到了大量的状态和计数器管理。其中register方法用于注册参与者arriveAndAwaitAdvance方法用于表示线程到达当前阶段并等待其他线程。在arriveAndAwaitAdvance方法中会检查当前阶段是否已经完成如果没有则增加已到达的参与者数量并可能触发阶段转换。
深入理解Phaser的实现原理查看和分析其源码是非常有帮助的。由于Phaser的源码较长且复杂这里我聚焦于其核心机制而不是完整的实现细节。
public class Phaser {// 表示参与者的数量以及到达的参与者数量等状态信息private final AtomicLong state;// 用于等待/通知的锁private final Object lock;// 构造函数初始化Phaserpublic Phaser() {state new AtomicLong(Phaser.INITIAL_STATE);lock new Object();}// 注册一个新的参与者或者为已注册的参与者增加数量public void register() {// ... 省略具体的实现细节 ...}// 参与者到达某个阶段并可能等待其他参与者public int arrive() throws InterruptedException {// ... 省略具体的实现细节 ...return phase;}// 参与者到达并等待其他参与者同时推进到下一个阶段public int awaitAdvance(int phase) throws InterruptedException {// ... 省略具体的实现细节 ...return nextPhase;}// ... 其他方法如deregister, arriveAndDeregister, bulkRegister, getPhase, getRegisteredParties等 ...// 内部状态表示包含参与者数量和当前阶段等信息private static final long UNSET -1L; // 用于表示未设置的值private static final long TERMINATED Long.MAX_VALUE; // 表示Phaser已经终止private static final int MAX_PHASE Integer.MAX_VALUE; // 最大阶段数private static final int PARTIES_MASK 0xffff; // 参与者数量的掩码private static final int PHASE_MASK ~PARTIES_MASK; // 阶段数的掩码private static final long INITIAL_STATE (UNSET PHASE_MASK) | (0 PARTIES_MASK); // 初始状态// ... 其他内部方法和变量 ...
}上面的代码只是一个框架实际的Phaser实现要复杂得多。不过通过这个框架我们可以了解Phaser的一些核心组成部分 状态维护Phaser使用一个AtomicLong类型的state变量来维护其内部状态。这个状态包含了当前阶段数、已注册的参与者数量以及已到达的参与者数量等信息。通过使用位操作和掩码Phaser能够在单个原子变量中高效地存储和更新这些信息。 注册与到达register()方法用于注册新的参与者或增加已注册参与者的数量。arrive()方法用于表示参与者已经完成了当前阶段的工作并可能等待其他参与者。这些方法会更新state变量中的相应信息并根据需要唤醒等待的线程。 等待与推进awaitAdvance()方法用于等待其他参与者到达当前阶段并一起进入下一个阶段。这个方法会根据state变量的状态来决定是否需要阻塞调用线程。当所有参与者都到达当前阶段时Phaser会更新state变量以推进到下一个阶段并唤醒所有等待的线程。 中断与超时实际的Phaser实现还支持响应中断和超时。这意味着如果线程在等待过程中被中断或超过指定的等待时间它可以从等待状态中退出。这些特性是通过在内部使用锁和其他同步机制来实现的。
5. 注意事项
在使用Phaser时需要确保正确管理线程的注册和注销避免在阶段转换时出现不一致的情况。Phaser的灵活性也带来了一定的复杂性因此在使用时需要深入理解其工作原理和使用方法以避免出现错误或性能问题。 总结
横向对比
以下是以表格形式总结的JDK 8中JUC包中的Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier和Phaser这四个同步工具类
工具类主要用途内部原理使用场景Semaphore控制访问某个或多个共享资源的线程数量基于AQS实现维护一个许可计数器需要限制并发访问共享资源的场景如连接池、线程池等CountDownLatch允许一个或多个线程等待其他线程完成操作基于AQS实现维护一个计数器用于协调一组线程的执行顺序例如启动多个线程并行处理任务并在所有任务完成后执行汇总操作CyclicBarrier让一组线程互相等待直到所有线程都到达某个公共屏障点使用锁和条件变量实现维护屏障的周期和计数器需要一组线程在某个点相互等待的场景如并行计算中的初始化、数据准备等Phaser提供对一组线程进行分阶段同步的能力维护复杂的状态机包括阶段数、参与者数量和到达点适用于需要将线程划分为多个阶段并在每个阶段结束时执行特定操作的场景如多阶段任务处理
常见面试题
在面试中关于JDK 8中JUC包中Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier和Phaser这四个同步工具类的使用场景可以提出以下面试题
Semaphore使用场景面试题
请描述一个你曾经使用Semaphore解决并发问题的场景。你是如何确定需要的许可数量的在高并发环境下如何使用Semaphore来限制对某个共享资源的访问数量
CountDownLatch使用场景面试题
假设你正在开发一个需要等待多个线程完成初始化操作的系统你会如何使用CountDownLatch来实现请分享一个你使用CountDownLatch协调多个线程执行顺序的实例并解释其工作原理。
CyclicBarrier使用场景面试题
描述一个适合使用CyclicBarrier的场景并解释为什么它比其他同步工具类更适合这个场景。在一个多线程任务中你需要在所有线程都完成某个阶段后才能进行下一阶段你会如何使用CyclicBarrier来实现
Phaser使用场景面试题
请描述一个需要使用Phaser进行分阶段同步的场景并解释Phaser在这个场景中的优势。假设你正在开发一个复杂的多阶段任务每个阶段需要不同数量的线程来完成你会如何使用Phaser来管理这些线程的执行
这些面试题旨在了解候选人对这些同步工具类应用场景的理解以及实际应用经验。通过回答这些问题候选人可以展示他们对并发编程和JUC工具类的熟悉程度以及解决实际问题的能力。 这些工具类都提供了灵活的同步机制可以帮助开发者更好地控制和管理并发程序的执行。根据具体的使用场景和需求可以选择合适的工具类来实现线程同步和协调。 以上就是JDK 8中JUC包中Semaphore、CountDownLatch、CyclicBarrier和Phaser这四个同步工具类的详细介绍。每个类都有其独特的使用场景和内部原理了解并正确使用这些工具类可以大大提高并发编程的效率和稳定性。 欢迎一键三连(关注点赞收藏)技术的路上一起加油代码改变世界 关于我阿里非典型程序员一枚 记录平平无奇程序员在大厂的打怪升级之路。 一起学习Java、大数据、数据结构算法公众号同名 ⬇️欢迎关注下面的公众号进朱者赤认识不一样的技术人。⬇️
