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Executor Framework执行器框架
Executor Framework是Java并发编程中一个非常强大的组件它提供了一种标准的方法来启动、管理和控制线程的执行执行器框架主要由接口和类组成如Executor、Executors、ExecutorService、Future和Callable这些组件共同协作提供了一种灵活且高效的线程管理机制。
以下是关于执行器框架中一些关键组件的说明
Executor接口这是执行器框架中最基本的接口它定义了一个execute方法用于接收一个实现了Runnable接口的对象并启动一个新线程来执行该对象的run方法Executor接口并不严格要求实现如何创建、调度或管理线程这些具体实现细节由它的实现类来定义。Executors类这是一个工具类提供了多种类型的线程池创建方法例如newFixedThreadPool创建固定大小的线程池、newCachedThreadPool创建可缓存的线程池和newSingleThreadExecutor创建单线程的线程池等这些线程池内部实际上都是实现了ExecutorService接口的对象。ExecutorService接口这个接口扩展了Executor接口添加了一些用于管理和控制线程执行的方法例如shutdown平滑地关闭线程池、shutdownNow立即关闭线程池、awaitTermination等待所有任务执行完毕后再关闭线程池等此外ExecutorService还提供了submit方法可以接收Runnable或Callable对象并返回一个Future对象来跟踪任务的执行状态。Future接口和Callable接口这两个接口通常一起使用Callable接口类似于Runnable接口但它允许有返回值并且可以抛出异常Future接口表示异步计算的结果它提供了检查计算是否完成的方法以等待计算的完成并检索计算的结果。
下面是一个使用执行器框架的简单示例展示了如何创建一个固定大小的线程池提交任务并处理返回结果如下代码
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Future; public class ExecutorFrameworkExample { public static void main(String[] args) { // 创建一个固定大小为3的线程池 ExecutorService executor Executors.newFixedThreadPool(3); // 提交任务并获取Future对象 FutureString future executor.submit(() - { // 模拟耗时操作 Thread.sleep(1000); return 任务完成; }); // 做其他事情... // 获取任务结果如果任务还未完成会阻塞等待 try { String result future.get(); System.out.println(result); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); } // 关闭线程池 executor.shutdown(); }
}在实际应用中通常不会在线程池刚提交任务后就立即关闭它而是会等待所有任务都提交完毕后再关闭此外future.get()方法会阻塞当前线程直到任务完成因此在需要等待任务完成的场景下应该谨慎使用以避免死锁或不必要的线程阻塞。执行器框架通过提供这些高级抽象使得开发者能够更专注于任务的逻辑而不用过多关心线程的创建、调度和管理等底层细节从而极大地简化了并发编程的复杂性。
Concurrent Collections并发集合
Concurrent Collections是设计用于支持并发编程的一组数据结构在并发编程中当多个线程同时访问和修改共享数据时如果没有适当的同步措施就可能导致数据不一致和其他并发问题为了避免这些问题Java提供了一些线程安全的集合类称为并发集合。并发集合位于java.util.concurrent包中它们通过内部实现来确保多个线程可以安全地并发访问这些集合而无需在客户端代码中进行额外的同步这些集合使用了各种复杂的算法和数据结构来最小化线程间的竞争从而提供更高的吞吐量。
以下是一些常见的并发集合类
ConcurrentHashMap这是一个线程安全的HashMap实现它允许多个线程同时读写映射表而不会相互阻塞它通过分段锁或其他并发控制技术如Java 8中的ConcurrentHashMap使用的CAS操作和同步控制来实现高并发性。CopyOnWriteArrayList这是一个线程安全的ArrayList实现它通过在修改时复制底层数组来实现线程安全读取操作不需要锁定因为它们在内部数组的一个快照上执行而写入操作则创建一个新的数组副本修改它然后原子地将其替换为当前数组。ConcurrentLinkedQueue这是一个基于链接节点的无界线程安全队列它按照FIFO先进先出原则对元素进行排序多个线程可以安全地并发访问此队列它使用高效的非阻塞算法来实现。ConcurrentSkipListMap和ConcurrentSkipListSet这些是基于跳表Skip List数据结构实现的并发有序集合它们提供了与TreeMap和TreeSet类似的功能但是支持更高并发的读写操作。ConcurrentLinkedDeque这是一个双端队列Deque支持在队列的两端进行高效的插入和移除操作它是线程安全的并且允许多个线程并发访问。BlockingQueue接口及其实现这个接口定义了一个线程安全的队列该队列在尝试检索元素但队列为空时会阻塞检索线程直到队列中有元素可用同样当队列已满时尝试添加元素的线程也会被阻塞直到队列中有可用空间。ArrayBlockingQueue、LinkedBlockingQueue、PriorityBlockingQueue和SynchronousQueue等是该接口的一些常用实现。
并发集合的使用场景主要是在多线程环境中当需要一个数据结构来安全地共享数据时使用这些集合可以减少编写和维护复杂的同步代码的需要同时提高程序的性能和可伸缩性。
如下是使用ConcurrentHashMap代码示例如下代码
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap; public class ConcurrentCollectionExample { public static void main(String[] args) { ConcurrentHashMapString, Integer map new ConcurrentHashMap(); // 多个线程可以安全地并发访问这个 map map.put(apple, 1); map.put(banana, 2); System.out.println(map.get(apple)); // 输出 1 }
}ConcurrentHashMap是一种高效的线程安全的哈希表实现它允许多个线程并发地读写数据而不需要额外的同步。
Atomic Variables原子变量
Atomic Variables原子变量是并发编程中用于实现线程安全的一种机制原子变量提供了一种在多线程环境中安全地读取、修改和更新变量的方式而不需要额外的同步措施。在并发编程中当多个线程同时访问和修改共享变量时如果没有适当的同步措施可能会导致数据不一致和其他并发问题为了解决这个问题通常需要使用锁或其他同步机制来确保对变量的访问是原子的。
原子变量提供了一种更简洁、高效的方式来实现线程安全的数据更新它们通过内部机制来确保对变量的操作是原子的从而避免了显式的同步原子变量通常在底层使用硬件支持或特殊的指令来实现原子操作这使得它们在性能上优于传统的同步机制。
原子变量在Java中主要通过java.util.concurrent.atomic包中的类实现例如AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean等这些类提供了各种原子操作方法如incrementAndGet()、decrementAndGet()、compareAndSet()等这些方法对底层变量执行原子操作并返回操作后的值。
如下是使用AtomicInteger的代码示例
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger; public class AtomicVariableExample { public static void main(String[] args) { AtomicInteger atomicInt new AtomicInteger(0); // 多个线程可以安全地并发更新这个原子整数 int oldValue atomicInt.getAndIncrement(); // 原子性地自增并返回旧值 System.out.println(oldValue); // 输出 0 int newValue atomicInt.get(); // 获取当前值 System.out.println(newValue); // 输出 1 }
}AtomicInteger提供了一种原子性地更新整数值的方法不需要使用synchronized关键字。
在这个示例中increment()方法原子地增加计数器的值而getCount()方法原子地获取计数器的值由于这些操作是原子的因此在多线程环境中使用AtomicInteger比使用普通的int变量更安全。原子变量在并发编程中非常有用它们简化了线程间的同步并提供了更高的性能。
Synchronizers同步器
Synchronizers同步器是Java并发编程中用于协调线程之间同步的组件它们提供了一种机制使线程能够等待、通知或限制其他线程的执行。主要包括ReentrantLock、CountDownLatch、CyclicBarrier等这些类为开发者提供了一系列高级同步工具以便更好地控制线程之间的交互。
以下是几个常用的同步器
ReentrantLock这是一个互斥体类似于内置的synchronized关键字但提供了更多的灵活性和功能ReentrantLock可以重入意味着一个线程可以多次获取同一个锁而不会导致死锁此外ReentrantLock还提供了更细粒度的控制例如尝试获取锁、定时获取锁等。CountDownLatch这是一个同步辅助工具它允许一个或多个线程等待其他线程完成一系列操作CountDownLatch在初始化时会设置一个计数值然后每个线程在完成其任务后调用countDown()方法减少计数值当计数值减至0时所有等待的线程都会被唤醒。CyclicBarrierCyclicBarrier是一个同步辅助工具它允许一组线程相互等待直到所有线程都达到某个状态后再一起执行CyclicBarrier在初始化时会设置一个屏障barrier的初始阶段数每个线程在完成其任务后调用await()方法在屏障处等待当阶段数减至0时所有线程继续执行。SemaphoreSemaphore是一个计数信号量它提供了对资源的精细控制Semaphore维护了一个许可证计数只有获得许可证的线程才能访问受保护的资源当线程完成对资源的访问后它会释放一个许可证允许其他线程获取资源。
同步器提供了一种灵活的机制来协调线程之间的同步它们可以帮助开发者避免死锁、竞态条件和其他并发问题。
如下是CountDownLatch代码示例
import java.util.concurrent.CountDownLatch; public class SynchronizerExample { public static void main(String[] args) throws InterruptedException { int numberOfThreads 5; CountDownLatch latch new CountDownLatch(numberOfThreads); for (int i 0; i numberOfThreads; i) { new Thread(() - { System.out.println(Thread Thread.currentThread().getId() is ready); latch.countDown(); // 通知 CountDownLatch 线程已准备就绪 }).start(); } latch.await(); // 等待所有线程准备就绪 System.out.println(All threads are ready); }
}在上面代码汇总使用 CountDownLatch 来同步多个线程确保在所有线程都准备就绪之后再继续执行主线程。 END
