原创

Java并发编程系列

从本章开始,我们正式进入Java多线程系列的学习。透彻理解Java并发编程系列包括基础篇和进阶篇。初学者通过基础篇的学习,可以对多线程的初步使用有了基本概念和掌握。多线程这块知识的学习,真正的难点不在于多线程程序的逻辑有多复杂,而在于理清J.U.C包中各个多线程工具类之间的关系、特点及其使用场景(从整体到局部、高屋建瓴,这对学习任何知识都至关重要,如果读者能坚持阅读到本系列的Executors框架,你会明白我为什么强调全局视野的重要性)。

坦白的说,我还没有遇到过程序逻辑复杂到看不懂的生产级别的代码,所以要真正掌握Java多线程,必须要弄懂J.U.C,并不是说必须是源码级别的,深入源码确实能够让你掌握底层原理,但死扣细节往往造成“当局者迷”。所以,从本阶段开始,我将带领读者去理解J.U.C的设计思路和各个模块中的工具类的特点、用法,然后抽丝剥茧,深入每个工具类的底层实现。

如果你能跟着我的节奏,打开IDE,顺着我每篇进阶篇文章的思路去看J.U.C工具类的每行源码,回过头来,你会发现Java多线程领域最经典的《Java Concurrency in Practice》中的所有多线程设计原则、思想都包含在J.U.C的实现中,也会对整个J.U.C的设计有一个清晰的认识。

J.U.C包简介

J.U.C并发包,即java.util.concurrent包,是JDK的核心工具包,是JDK1.5之后,由 Doug Lea实现并引入。

整个java.util.concurrent包,按照功能可以大致划分如下:

  • juc-locks 锁框架
  • juc-atomic 原子类框架
  • juc-sync 同步器框架
  • juc-collections 集合框架
  • juc-executors 执行器框架

本系列将按上述顺序分析J.U.C,分析所基于的源码为Oracle JDK1.8.0_111。

主要参考书籍:

  • 《Java Concurrency in Practice》 Brian Goetz等
  • 《JAVA多线程设计模式》 结城 浩

Java多线程基础系列主要是考虑没有接触过多线程的初学者,该系列完全参考自结城浩的《Java多线程设计模式》,感兴趣的读者可以先阅读该书后再来看进阶部分的文章。


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juc-locks 锁框架

早期的JDK版本中,仅仅提供了synchronizd、wait、notify等等比较底层的多线程同步工具,开发人员如果需要开发复杂的多线程应用,通常需要基于JDK提供的这些基础工具进行封装,开发自己的工具类。JDK1.5+后,Doug Lea根据一系列常见的多线程设计模式,设计了JUC并发包,其中java.util.concurrent.locks包下提供了一系列基础的锁工具,用以对synchronizd、wait、notify等进行补充、增强。

java.util.concurrent.locks包的结构如下:



包内接口和类的简单UML图如下:



本部分包含以下文章:


juc-atomic 原子类框架

早期的JDK版本中,如果要并发的对Integer、Long、Double之类的Java原始类型或引用类型进行操作,一般都需要通过锁来控制并发,以防数据不一致。

从JDK1.5开始,引入了java.util.concurrent.atomic工具包,该包提供了许多Java原始/引用类型的映射类,如AtomicIntegerAtomicLongAtomicBoolean,这些类可以通过一种“无锁算法”,线程安全的操作Integer、Long、Boolean等原始类型。

所谓“无锁算法”,我们在讲juc-locks锁框架系列中,已经接触过太多次了,其实底层就是通过Unsafe类实现的一种比较并交换的算法,大致的结构如下(具体入参,根据上下文有所不同):
boolean compareAndSet(expectedValue, updateValue);
当希望修改的值与expectedValue相同时,则尝试将值更新为updateValue,更新成功返回true,否则返回false。

java.util.concurrent.atomic包结构如下:



包内类的简单UML图如下:



本部分包含以下文章:


juc-sync 同步器框架

这里的juc-sync同步器框架,是指java.util.concurrent包下一些辅助同步器类,每个类都有自己适合的使用场景:

同步器名称 作用
CountDownLatch 倒数计数器,构造时设定计数值,当计数值归零后,所有阻塞线程恢复执行;其内部实现了AQS框架
CyclicBarrier 循环栅栏,构造时设定等待线程数,当所有线程都到达栅栏后,栅栏放行;其内部通过ReentrantLock和Condition实现同步
Semaphore 信号量,类似于“令牌”,用于控制共享资源的访问数量;其内部实现了AQS框架
Exchanger 交换器,类似于双向栅栏,用于线程之间的配对和数据交换;其内部根据并发情况有“单槽交换”和“多槽交换”之分
Phaser 多阶段栅栏,相当于CyclicBarrier的升级版,可用于分阶段任务的并发控制执行;其内部比较复杂,支持树形结构,以减少并发带来的竞争

本部分包含以下文章:
https://www.tpvlog.com/article/37


juc-collections 集合框架

这里的juc-collections集合框架,是指java.util.concurrent包下的一些同步集合类,按类型划分可以分为:符号表队列Set集合列表四大类,每个类都有自己适合的使用场景,整个juc-collections集合框架的结构如下图:



其中阻塞队列的分类及特性如下表:

队列特性 有界队列 近似无界队列 无界队列 特殊队列
有锁算法 ArrayBlockingQueue LinkedBlockingQueue、LinkedBlockingDeque / PriorityBlockingQueue、DelayQueue
无锁算法 / / LinkedTransferQueue SynchronousQueue

本部分包含以下文章:


juc-executors 执行器框架

executors框架是整个J.U.C包中类/接口关系最复杂的框架,executors其实可以划分为3大块,每一块的核心都是基于Executor这个接口:

  1. 线程池
  2. Future模式
  3. Fork/Join框架

本部分包含以下文章:


后续文章将从juc-locks锁框架开始,循序渐进得介绍各个框架中得多线程工具的使用方法和原理。

正文到此结束
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