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大道至简
Java进阶-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 ConcurrentSkipListMap,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 BlockingQueue 实现,比较典型的 ArrayBlockingQueue、 SynchronousQueue 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。