Java核心技术面试精讲

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来源：https://time.geekbang.org/column/intro/100006701

第19讲 Java并发包提供了哪些并发工具类？

x33g5p2x  于2021-03-13 发布在 其他  
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通过前面的学习，我们一起回顾了线程、锁等各种并发编程的基本元素，也逐步涉及了 Java 并发包中的部分内容，相信经过前面的热身，我们能够更快地理解 Java 并发包。

今天我要问你的问题是，Java 并发包提供了哪些并发工具类？

典型回答

我们通常所说的并发包也就是 java.util.concurrent 及其子包，集中了 Java 并发的各种基础工具类，具体主要包括几个方面：

  • 提供了比 synchronized 更加高级的各种同步结构，包括 CountDownLatch、CyclicBarrier、Semaphore 等，可以实现更加丰富的多线程操作，比如利用 Semaphore 作为资源控制器，限制同时进行工作的线程数量。

  • 各种线程安全的容器，比如最常见的 ConcurrentHashMap、有序的 ConcunrrentSkipListMap，或者通过类似快照机制，实现线程安全的动态数组 CopyOnWriteArrayList 等。

  • 各种并发队列实现，如各种 BlockedQueue 实现，比较典型的 ArrayBlockingQueue、 SynchorousQueue 或针对特定场景的 PriorityBlockingQueue 等。

  • 强大的 Executor 框架，可以创建各种不同类型的线程池，调度任务运行等，绝大部分情况下，不再需要自己从头实现线程池和任务调度器。

考点分析

这个题目主要考察你对并发包了解程度，以及是否有实际使用经验。我们进行多线程编程，无非是达到几个目的：

  • 利用多线程提高程序的扩展能力，以达到业务对吞吐量的要求。

  • 协调线程间调度、交互，以完成业务逻辑。

  • 线程间传递数据和状态，这同样是实现业务逻辑的需要。

所以，这道题目只能算作简单的开始，往往面试官还会进一步考察如何利用并发包实现某个特定的用例，分析实现的优缺点等。

如果你在这方面的基础比较薄弱，我的建议是：

  • 从总体上，把握住几个主要组成部分（前面回答中已经简要介绍）。

  • 理解具体设计、实现和能力。

  • 再深入掌握一些比较典型工具类的适用场景、用法甚至是原理，并熟练写出典型的代码用例。

掌握这些通常就够用了，毕竟并发包提供了方方面面的工具，其实很少有机会能在应用中全面使用过，扎实地掌握核心功能就非常不错了。真正特别深入的经验，还是得靠在实际场景中踩坑来获得。

知识扩展

首先，我们来看看并发包提供的丰富同步结构。前面几讲已经分析过各种不同的显式锁，今天我将专注于

  • CountDownLatch，允许一个或多个线程等待某些操作完成。

  • CyclicBarrier，一种辅助性的同步结构，允许多个线程等待到达某个屏障。

  • Semaphore，Java 版本的信号量实现。

Java 提供了经典信号量（Semaphore）的实现，它通过控制一定数量的允许（permit）的方式，来达到限制通用资源访问的目的。你可以想象一下这个场景，在车站、机场等出租车时，当很多空出租车就位时，为防止过度拥挤，调度员指挥排队等待坐车的队伍一次进来 5 个人上车，等这 5 个人坐车出发，再放进去下一批，这和 Semaphore 的工作原理有些类似。

你可以试试使用 Semaphore 来模拟实现这个调度过程：

import java.util.concurrent.Semaphore;
public class UsualSemaphoreSample {
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    	System.out.println("Action...GO!");
    	Semaphore semaphore = new Semaphore(5);
    	for (int i = 0; i < 10; i++) {
        	Thread t = new Thread(new SemaphoreWorker(semaphore));
        	t.start();
    	}
	}
}
class SemaphoreWorker implements Runnable {
	private String name;
	private Semaphore semaphore;
	public SemaphoreWorker(Semaphore semaphore) {
    	this.semaphore = semaphore;
	}
	@Override
	public void run() {
    	try {
        	log("is waiting for a permit!");
       	semaphore.acquire();
        	log("acquired a permit!");
        	log("executed!");
    	} catch (InterruptedException e) {
        	e.printStackTrace();
    	} finally {
        	log("released a permit!");
        	semaphore.release();
    	}
	}
	private void log(String msg){
    	if (name == null) {
        	name = Thread.currentThread().getName();
    	}
    	System.out.println(name + " " + msg);
	}
}

这段代码是比较典型的 Semaphore 示例，其逻辑是，线程试图获得工作允许，得到许可则进行任务，然后释放许可，这时等待许可的其他线程，就可获得许可进入工作状态，直到全部处理结束。编译运行，我们就能看到 Semaphore 的允许机制对工作线程的限制。

但是，从具体节奏来看，其实并不符合我们前面场景的需求，因为本例中 Semaphore 的用法实际是保证，一直有 5 个人可以试图乘车，如果有 1 个人出发了，立即就有排队的人获得许可，而这并不完全符合我们前面的要求。

那么，我再修改一下，演示个非典型的 Semaphore 用法。

import java.util.concurrent.Semaphore;
public class AbnormalSemaphoreSample {
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    	Semaphore semaphore = new Semaphore(0);
    	for (int i = 0; i < 10; i++) {
        	Thread t = new Thread(new MyWorker(semaphore));
        	t.start();
    	}
    	System.out.println("Action...GO!");
    	semaphore.release(5);
    	System.out.println("Wait for permits off");
    	while (semaphore.availablePermits()!=0) {
        	Thread.sleep(100L);
    	}
    	System.out.println("Action...GO again!");
    	semaphore.release(5);
	}
}
class MyWorker implements Runnable {
	private Semaphore semaphore;
	public MyWorker(Semaphore semaphore) {
    	this.semaphore = semaphore;
	}
	@Override
	public void run() {
    	try {
        	semaphore.acquire();
        	System.out.println("Executed!");
    	} catch (InterruptedException e) {
        	e.printStackTrace();
    	}
	}
}

注意，上面的代码，更侧重的是演示 Semaphore 的功能以及局限性，其实有很多线程编程中的反实践，比如使用了 sleep 来协调任务执行，而且使用轮询调用 availalePermits 来检测信号量获取情况，这都是很低效并且脆弱的，通常只是用在测试或者诊断场景。

总的来说，我们可以看出 Semaphore 就是个计数器，其基本逻辑基于 acquire/release，并没有太复杂的同步逻辑。

如果 Semaphore 的数值被初始化为 1，那么一个线程就可以通过 acquire 进入互斥状态，本质上和互斥锁是非常相似的。但是区别也非常明显，比如互斥锁是有持有者的，而对于 Semaphore 这种计数器结构，虽然有类似功能，但其实不存在真正意义的持有者，除非我们进行扩展包装。

下面，来看看 CountDownLatch 和 CyclicBarrier，它们的行为有一定的相似度，经常会被考察二者有什么区别，我来简单总结一下。

  • CountDownLatch 是不可以重置的，所以无法重用；而 CyclicBarrier 则没有这种限制，可以重用。

  • CountDownLatch 的基本操作组合是 countDown/await。调用 await 的线程阻塞等待 countDown 足够的次数，不管你是在一个线程还是多个线程里 countDown，只要次数足够即可。所以就像 Brain Goetz 说过的，CountDownLatch 操作的是事件。

  • CyclicBarrier 的基本操作组合，则就是 await，当所有的伙伴（parties）都调用了 await，才会继续进行任务，并自动进行重置。注意，正常情况下，CyclicBarrier 的重置都是自动发生的，如果我们调用 reset 方法，但还有线程在等待，就会导致等待线程被打扰，抛出 BrokenBarrierException 异常。CyclicBarrier 侧重点是线程，而不是调用事件，它的典型应用场景是用来等待并发线程结束。

如果用 CountDownLatch 去实现上面的排队场景，该怎么做呢？假设有 10 个人排队，我们将其分成 5 个人一批，通过 CountDownLatch 来协调批次，你可以试试下面的示例代码。

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
public class LatchSample {
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    	CountDownLatch latch = new CountDownLatch(6);
           for (int i = 0; i < 5; i++) {
                Thread t = new Thread(new FirstBatchWorker(latch));
                t.start();
    	}
    	for (int i = 0; i < 5; i++) {
        	    Thread t = new Thread(new SecondBatchWorker(latch));
        	    t.start();
    	}
           // 注意这里也是演示目的的逻辑，并不是推荐的协调方式
    	while ( latch.getCount() != 1 ){
        	    Thread.sleep(100L);
    	}
    	System.out.println("Wait for first batch finish");
    	latch.countDown();
	}
}
class FirstBatchWorker implements Runnable {
	private CountDownLatch latch;
	public FirstBatchWorker(CountDownLatch latch) {
    	this.latch = latch;
	}
	@Override
	public void run() {
        	System.out.println("First batch executed!");
        	latch.countDown();
	}
}
class SecondBatchWorker implements Runnable {
	private CountDownLatch latch;
	public SecondBatchWorker(CountDownLatch latch) {
    	this.latch = latch;
	}
	@Override
	public void run() {
    	try {
        	latch.await();
        	System.out.println("Second batch executed!");
    	} catch (InterruptedException e) {
        	e.printStackTrace();
    	}
	}
}

CountDownLatch 的调度方式相对简单，后一批次的线程进行 await，等待前一批 countDown 足够多次。这个例子也从侧面体现出了它的局限性，虽然它也能够支持 10 个人排队的情况，但是因为不能重用，如果要支持更多人排队，就不能依赖一个 CountDownLatch 进行了。其编译运行输出如下：

在实际应用中的条件依赖，往往没有这么别扭，CountDownLatch 用于线程间等待操作结束是非常简单普遍的用法。通过 countDown/await 组合进行通信是很高效的，通常不建议使用例子里那个循环等待方式。

如果用 CyclicBarrier 来表达这个场景呢？我们知道 CyclicBarrier 其实反映的是线程并行运行时的协调，在下面的示例里，从逻辑上，5 个工作线程其实更像是代表了 5 个可以就绪的空车，而不再是 5 个乘客，对比前面 CountDownLatch 的例子更有助于我们区别它们的抽象模型，请看下面的示例代码：

import java.util.concurrent.BrokenBarrierException;
import java.util.concurrent.CyclicBarrier;
public class CyclicBarrierSample {
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    	CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(5, new Runnable() {
        	@Override
        	public void run() {
            	System.out.println("Action...GO again!");
        	}
    	});
    	for (int i = 0; i < 5; i++) {
        	Thread t = new Thread(new CyclicWorker(barrier));
        	t.start();
    	}
	}
	static class CyclicWorker implements Runnable {
    	private CyclicBarrier barrier;
    	public CyclicWorker(CyclicBarrier barrier) {
        	this.barrier = barrier;
    	}
    	@Override
    	public void run() {
        	try {
            	for (int i=0; i<3 ; i++){
                	System.out.println("Executed!");
                	barrier.await();
            	}
        	} catch (BrokenBarrierException e) {
            	e.printStackTrace();
        	} catch (InterruptedException e) {
            	e.printStackTrace();
        	}
 	   }
	}
}

为了让输出更能表达运行时序，我使用了 CyclicBarrier 特有的 barrierAction，当屏障被触发时，Java 会自动调度该动作。因为 CyclicBarrier 会自动进行重置，所以这个逻辑其实可以非常自然的支持更多排队人数。其编译输出如下：

Java 并发类库还提供了Phaser，功能与 CountDownLatch 很接近，但是它允许线程动态地注册到 Phaser 上面，而 CountDownLatch 显然是不能动态设置的。Phaser 的设计初衷是，实现多个线程类似步骤、阶段场景的协调，线程注册等待屏障条件触发，进而协调彼此间行动，具体请参考这个例子。

接下来，我来梳理下并发包里提供的线程安全 Map、List 和 Set。首先，请参考下面的类图。

你可以看到，总体上种类和结构还是比较简单的，如果我们的应用侧重于 Map 放入或者获取的速度，而不在乎顺序，大多推荐使用 ConcurrentHashMap，反之则使用 ConcurrentSkipListMap；如果我们需要对大量数据进行非常频繁地修改，ConcurrentSkipListMap 也可能表现出优势。

我在前面的专栏，谈到了普通无顺序场景选择 HashMap，有顺序场景则可以选择类似 TreeMap 等，但是为什么并发容器里面没有 ConcurrentTreeMap 呢？

这是因为 TreeMap 要实现高效的线程安全是非常困难的，它的实现基于复杂的红黑树。为保证访问效率，当我们插入或删除节点时，会移动节点进行平衡操作，这导致在并发场景中难以进行合理粒度的同步。而 SkipList 结构则要相对简单很多，通过层次结构提高访问速度，虽然不够紧凑，空间使用有一定提高（O(nlogn)），但是在增删元素时线程安全的开销要好很多。为了方便你理解 SkipList 的内部结构，我画了一个示意图。

关于两个 CopyOnWrite 容器，其实 CopyOnWriteArraySet 是通过包装了 CopyOnWriteArrayList 来实现的，所以在学习时，我们可以专注于理解一种。

首先，CopyOnWrite 到底是什么意思呢？它的原理是，任何修改操作，如 add、set、remove，都会拷贝原数组，修改后替换原来的数组，通过这种防御性的方式，实现另类的线程安全。请看下面的代码片段，我进行注释的地方，可以清晰地理解其逻辑。

public boolean add(E e) {
	synchronized (lock) {
    	Object[] elements = getArray();
    	int len = elements.length;
           // 拷贝
    	Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);
    	newElements[len] = e;
           // 替换
    	setArray(newElements);
    	return true;
            }
}
final void setArray(Object[] a) {
	array = a;
}

所以这种数据结构，相对比较适合读多写少的操作，不然修改的开销还是非常明显的。

今天我对 Java 并发包进行了总结，并且结合实例分析了各种同步结构和部分线程安全容器，希望对你有所帮助。

一课一练

关于今天我们讨论的题目你做到心中有数了吗？留给你的思考题是，你使用过类似 CountDownLatch 的同步结构解决实际问题吗？谈谈你的使用场景和心得。

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